044-047_TEKNO 4.indd

TEKNOLOJİ
21.
yüzyılın
anahtarı
Yüklü parçacık demeti, mükemmel bir araçtır.
Tıptan endüstriye, savunma sanayisinden
temel araştırmalara kadar her alanda
kullanılır.1920’lerin Türkiyesi için traktör veya
lokomotif ne kadar önemliyse 2020’lerin Türkiye’si
için de hızlandırıcılar aynı önemde olacak.
T
ürkiye kamuoyu “hızlandırıcı” kavramını İsviçre’deki Avrupa Nükleer Araştırma
Merkezi’nde (European Organization for Nuclear Research/CERN) yapılan “Yüzyılın
Deneyi” sayesinde tanıdı. Sonra Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda Higgs parçacığının
keşfi ile ilgili haberler okuduk. Peki, nedir bu hızlandırıcılar ve çarpıştırıcılar? Her şeyden önemlisi, ne işimize yarar?
Proton veya elektron gibi atomaltı parçacıklardan oluşan bir demet neredeyse her konuda
yaygın kullanım alanı olan çok amaçlı bir araçtır aslında. 1970’lerden itibaren hem günlük hayata, hem sanayiye, hem de tıbba katkı veren böyle bir demeti tam farkında olmasak da aslında hepimiz biliyoruz: Lazer.
Lazer, bizim ancak bir kısmını ışık olarak görebildiğimiz elektromanyetik dalgaların kuantumu olan fotonlardan oluşmuş bir demet. Bu demetler sayesinde CD çalarlarda müzik dinle-
riz, ameliyatlarda ve hatta endüstriyel imalatta bu demetleri kullanırız. Ancak bu demet yüksüz parçacıklardan oluştuğu için, üretilmiş olan foton demetine daha
da enerji vermek veya boşlukta giderken yolunu değiştirmek mümkün değil.
Oysa elektrik yükü olan parçacıklardan elde edilmiş
bir demetin, elektrik gerilimiyle hızı artırılabilir ve mıknatıslarla yönü değiştirilebilir. İşte bu şekilde, yüklü parçacıkları belli bir enerjiye hızlandırıp, demet haline getirdikten sonra istenen hedefe yollayan aygıta hızlandırıcı denir.
HANGİ PARÇACIKLAR VE NE KADAR
ENERJİ?
Demet hazırlamak için en çok kullanılan yüklü parçacıklar, bizim de aslında günlük hayattan tanıdığımız
ve hatta bizi de oluşturan, elektronlar ve protonlardır.
Hatırlanacağı üzere en basit atom olan hidrojen, bir
protonun etrafında dönen bir elektrondan oluşur. Hidrojen atomlarından yüksek gerilimle sökülen elektron
50 milyar dolarlık endüstriyel
elektron demeti pazar payı
© DESY
(IAEA 2011)
44 EKONOMİK FORUM l Temmuz 2012
> > Almanya’daki TESLA
hızlandırıcısının, süper iletken
hızlandırma kovukları tasarımı.
Ali BOZBEY
 Dr.
Dr. Serkant Ali ÇETİN
TOBB ETÜ Elektrik Elektronik Bölümü
Doğuş Üniversitesi Fizik Bölümü
Dr. Gökhan ÜNEL
Univ. Calif. Irvine, Fizik ve Astronomi Bölümü / CERN
> > CERN’deki doğrusal
hızlandırıcı Linac 2.
© CERN
veya geriye kalan proton, elektrik alanlarla hızlandırılır
ve demet haline getirilir. Hızlandırmak için ihtiyaç duyulan elektrik alan ise uygulanan yüksek voltajla (gerilim) elde edilir.
Hızlandırıcılarda söz konusu olan enerjileri anlamak için, yüksek bir voltaj sayesinde hareket eden bir
elektronu düşünebiliriz. Örneğin tüplü televizyonlardaki elektron tüpü, elektronları yaklaşık 20 bin volt gerilimle hızlandırır ve ekrana çarptırarak görüntü oluşturur. Bu durumda elektronların kazandıkları enerjiye 20
kilo elektron volt denir, keV olarak kısaltılır. Tıp ve endüstride kullanılan elektron hızlandırıcıları 70 keV’den
10 milyon elektron volta (MeV) kadar enerji gerektirir.
Tıpta kullanılan radyoaktif izotopları üretmek için gereken proton hızlandırıcılarının enerjileri ise 30 MeV’e kadar yükselebilir. Temel bilim araştırmalarında ise parçacıkların enerjileri, günümüzde, trilyon elektron volta
(TeV) ulaştırılabiliyor.
Işınlanan malzemeyi radyoaktif hale getirmemesi ve elde edilip hızlandırılması nispeten kolay olduğu
için endüstride elektron demetleri daha çok kullanılır.
2011 yılı verileriyle, endüstriyel olarak elde edilip kullanılan elektron demetlerinin dünya genelindeki pazar
değeri 50 milyar doları buluyor. Bu pazarın paylaşımı
grafik I’de görülüyor. Bu endüstriyel skaladaki çalışmalar için gereken enerjiler, demet özellikleri ve kullanım
alanları ise tablo I’de yer alıyor.
DÜŞÜK ENERJİ
ORTA ENERJİ
YÜKSEK ENERJİ
ENERJİ ARALIĞI
70keV - 300keV
300keV - 5MeV
5MeV - 10MeV
ÖZELLİKLERİ
Geniş demet ≤ 3m,
taramasız
Geniş demet ≤ 3m,
taramalı
Linac veya SRF
Mürekkep iyileştirme
Tıbbi sterilizasyon
Tıbbi gereçlerin yığın
sterilizasyonu
Yüzey sterilizasyonu
Plastik ve lastiğin çapraz
bağlanması
Kalın plastiklerin çapraz
bağlanması
Polimerlerin çapraz
bağlanması
Isıda küçülen streç film
yapılması
Sıvı ve gazların
temizlenmesi
Tel ve kablo yalıtımı
bağlanması
KULLANIM ALANLARI
ELEKTRON HIZLANDIRICISININ KULLANIM ALANLARINA YÖNELİK
BAZI ÖRNEKLER
ELEKTRON DEMETİYLE DOĞRUDAN ÜRETİM: Demet enerjisinin aktarılmasıyla perçinlenen
metaller bir araya getirilerek üç boyutlu, hemen kullanılabilir parçalar yapılır. Havacılık endüstrisinde mümkün olan en az miktarda malzeme kullanmak gerektiği için bu birleştirmeli üretim yolu tercih edilir.
ELEKTRON DEMETİYLE ERİTME: Ham madde olarak kullanılan metal tozlarını elektron demetiyle eritip birleştirerek çok sağlam, boşluksuz parçalar üretilir.
ELEKTRON FIRINI: Vakumda vanadyum, titanyum gibi yüksek saflık gerektiren metallerin eritilmesinde ve bunlardan malzeme üretiminde elektron demetleri kullanılır.
ELEKTRON DEMETİYLE KAYNAK: Birleştirilecek iki metale uygulanan elektron demetinin
enerjisi birleşme yüzeyini eritir ve kaynak sağlanır. ABD’de 1950’lerden beri kullanılıyor.
ELEKTRON DEMETİYLE ŞEKİLLEME: Baskıda kullanılan silindirlerin yüzeylerini eritip kraterler oluşturarak şekiller (tekstür) elde etme yöntemi. Basım, tekstil ve metal endüstrilerinde kullanılır.
ELEKTRON DEMETİYLE İŞLEME: Metal bir blok elektron demetiyle eritilerek istenilen şekle sokulur.
Temmuz 2012 k EKONOMİK FORUM 45
TEKNOLOJİ
> > Polonya’daki bu fabrikada elektron
demetiyle yapılan pilot uygulamada baca
gazlarındaki sülfürdioksidin yüzde 95’i,
nitrojendioksidin yüzde 90’ı yok edildi.
© CERN
> > Endüstriyel
bir hızlandırıcı.
© IBA
ELEKTRON DEMETİYLE TAŞ BASKI (LİTOGRAFİ): Yarı-iletken malzemeyi eritip oyarak tümleşik devrelerin çiziminde ve üretiminde kullanılır.
ELEKTRON DEMETİYLE TEDAVİ: Cilt kanseri gibi yüzeye yakın tümörlerin veya ameliyat sırasında görülen kanserli hücrelerin yakılıp yok edilmesinde kullanılır.
ELEKTRON DEMETİYLE İYİLEŞTİRME: ED ile işlenen mürekkep daha hızlı kurur ve yapışır.
Morötesi ışık ve ısıyla iyileştirme yönteminden daha ucuz ve etkindir.
ELEKTRON DEMETİYLE BACA GAZLARININ TEMİZLENMESİ: Kömürle çalışan fabrikaların dumanlarındaki azot ve sülfür oksidi işleyip yüzde 90 iyileştirme sağlayarak hava kirliliğini önemli derecede azaltır. Gereken harcama fabrikanın elektrik sarfının yüzde 1’i kadardır. Polonya’da yapılan bir pilot fabrikada ED ile baca gazlarındaki sülfürdioksidin yüzde
95’inin ve nitrojendioksidin yüzde 90’ının yok edildiği gözlenmiştir. Bu gazlar asit yağmurlarına ve dumanlı sise neden olur.
ELEKTRON DEMETİYLE SIVILARIN TEMİZLENMESİ: Şehir atık sularının mikroplardan arındırılmasını veya fabrika atıklarının içindeki haloalkanların yok edilmesini sağlar. Normalde
kullanılan klor ve benzeri kimyasallar borulara korozyon yapar.
ELEKTRON DEMETİYLE POLİMERLERİN ÇAPRAZ BAĞLANMASI: Bağlanan polimerler daha
sağlam ve erimez olur. Kablolardaki yalıtım malzemesi daha geç ısınır (yanar) hale gelir.
Ulaşım (otomotiv, gemi, uçak vb.) endüstrisinde kullanılır. Bu şekilde üretilen ince ve esnek paketleme malzemeleri (streç film) sayesinde et tavuk gibi ürünlerin raf ömrü artar.
ELEKTRON DEMETİYLE STERİLİZASYON: Besinlerin ışınlanarak içlerindeki bakteri, virüs gibi
46 EKONOMİK FORUM l Temmuz 2012
> > Büyük Hadron Çarpıştırıcısındaki
süperiletken mıknatıslardan geçen
proton demetlerinin gösterimi.
zararlıların yok edilmesi. Elektron demetleri sadece
gerektiğinde açılır, Co60 gibi kaynakların aksine yenilenmesi gerekmez ve radyoaktif atık üretmez. ED
ile yüzeydeki bakteriler yok edilir. Diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında kimyasal kullanılmaması, suyla çalkalama ve ısıtma gerektirmemesi, atık oluşturmaması büyük avantajdır.
Elektron hızlandırıcılarından elde edilen ikincil ışınım kaynakları da (serbest elektron lazeri gibi)
malzeme biliminden ilaç ve tıp uygulamalarına kadar birçok alanda yaygın ve etkin olarak kullanılıyor.
Diğer tip bir yüklü parçacık demeti elde edilen proton hızlandırıcılarının da birçok kullanım alanı mevcut: radyoaktif izotop üretimi, hadron tedavisi, hızlandırıcı sürümlü sistemlerle yeni tip nükleer enerji
kaynakları araştırmaları gibi.
TEKNOLOJİ
CERN bir parçacık fiziği
araştırma laboratuvarı
olduğu halde, üç konuda,
hem de 21. yüzyıl dünyasının
en kilit üç teknolojisi üzerine
geniş bir bilgi birikimine
sahiptir: Hızlandırıcı, algıç
(dedektör) ve bilişim.
CERN ve TOBB
CERN, üye ülkelerle endüstriyel
ilişkileri, Endüstriyel İrtibat Ofisleri
(Industrial Liaison Office/ILO)
aracılığıyla gerçekleştiriyor. CERN
tarafından ILO’ların görev tanımı
şöyle yapılıyor:
“ILO’lar CERN üye ülkeleri
tarafından CERN ve tedarikçileri
arasında iletişim akışını
kolaylaştırmak, ihtiyaç halinde,
CERN’le iş yapmak isteyen yerel
firmalara mevcut iş olanakları
hakkında danışmanlık ve destek
vermek.”
CERN ihalelerine, çok istisnai
durumlar hariç, sadece üye ülkeler
girebiliyor. İhale duyuruları
düzenli olarak http://tinyurl.com/
cern-ihale adresinden yapılıyor.
CERN Teknoloji Transfer Ofisi ise
işbirlikleri ve/veya lisanslama
yöntemleriyle CERN’de geliştirilen
teknolojilerin transferine izin
veriyor. Mevcut teknolojilere
http://tinyurl.com/cern-tekno
adresinden ulaşılabilir.
Ülkemizde CERN Endüstriyel
İrtibat Ofisi, Türkiye Odalar
ve Borsalar Birliği (TOBB)
olarak belirlenmiştir. Üyeliğin
tamamlanmasından sonra, CERN’le
iş yapmak isteyen firmalar, TOBB
aracılığı ve desteğiyle CERN
tedarikçisi olarak yer alabilecektir.
© CERN
TÜRKİYE’DE DURUM
Tarihsel olarak, parçacık hızlandırıcılarının doğuşuna ve gelişimine fizikçilerin temel araştırmalarda duydukları ihtiyaçlar neden olmuştur. Bu yolda üretilen teknolojiler topluma, yukarıda sadece
bir kısmına değindiğimiz faydaları sağlıyor. Bu bilinçten yola çıkarak, Türkiye’de parçacık hızlandırıcılarına dayalı temel fizik araştırmalarının ve diğer uygulamaların gerçekleştirilebileceği bir hızlandırıcı kompleksi kurulması 1990’ların ortalarında önerilmişti. O zamanlar başlayan fizibilite çalışmaları bugün bu kompleksin, yani Türk Hızlandırıcı Merkezi’nin (THM), teknik tasarımının yapıldığı
bir projeyle sürdürülüyor. Ankara Üniversitesi tarafından koordine edilen ve 11 üniversitenin dahil olduğu bu projede, THM’nin teknik tasarımına ek ola-
rak kızılaltı serbest elektron lazeri elde edilebilecek bir elektron hızlandırıcısı da kuruluyor. Bu projede kurulması önerilen Hızlandırıcı Teknolojileri Enstitüsü de 2010’da Ankara Üniversitesi’nde kuruldu. Bunun dışında Türkiye Atom Enerjisi Kurumu’nun (TAEK), tıbbi amaçlı kısa yarı ömürlü radyoizotop üretmek için kurduğu proton hızlandırıcı tesisi, Başbakan Recep Tayyip Erdoğan tarafından 30 Mayıs 2012 tarihinde açıldı. Tesis deneme üretimi aşamasında çalışmalarını sürdürüyor. Ayrıca, TOBB Ekonomi ve Teknoloji
Üniversitesi’nde (ETÜ) kurulmakta olan Teknoloji ve Tasarım Laboratuvar Binası’ndaki laboratuvarlardan bir tanesi, Endüstriyel Hızlandırıcı Teknolojileri Laboratuvarı olarak planlanmış olup, altyapı çalışmaları devam etmektedir.
Türkiye’de hızlandırıcı teknolojilerinin yaygın kullanımı için bu teknolojilere hakim olmalı ve gereken altyapının oluşmasını sağlamalıyız. Bu alanda yapılacak Ar-Ge’ye ayrılacak kaynaklar, içinde bulunduğumuz yüzyılda önemli kapıları kendi anahtarlarımızla açmamızı sağlayacak ve endüstrimize önemli bir ivme katacaktır.
Kaynakça:
1) http://www.interactions.org/beacons/tr/home | 2) http://www.acceleratorsamerica.org | 3) http://www.desy.de/
Temmuz 2012 k EKONOMİK FORUM 47