PARÇACIK HIZLANDIRICILARI

 

Parçacık hızlandırıcıları, elektron (e-), pozitron (e+), proton (p), antiproton gibi yüklü temel parçacık demetlerinin belirli bir amaç çerçevesinde belirlenen bir enerjiye ulaşıncaya kadar hızlandırılmasını sağlayan aygıtlardır. 20. yüzyıl başlarında Rudherford deneyi ile ortaya konulan doğru ve yeni atom modeli sonrasında insanoğlunun maddenin temel yapısını çözümleme çerçevesindeki arayış ve gayretleri çerçevesinde özellikle yüksek enerji fiziği (parçacık fiziği) ve nükleer fizik konusunda yapacağı yeni deneylerde hızlandırılmış elektron ve proton demetlerinin kullanılmasını gündeme getirmiştir. Katod ışınları tüpleri katod-anod arasında elektron akımı oluşturan ilk hızlandırıcılar olarak anılabilir. 1920 li yılların sonlarında Widereo ilk modern lineer elektron hızlandırıcısını (linac) tasarlamış   ve hayata geçirmiştir. Cokcroft-Walton elektrostatik hızlandırıcısıda yine aynı dönemde gerçekleştirilmiştir ve 1932 de Cokcroft-Walton proton hızlandırıcısı ile hızlandırılan protonlar Li çekirdekleri üzerine gönderilerek iki He çekirdeği ortaya çıkarılmıştır. Daha yüksek elektrostatik hızlandırma potansiyelleri ise Van de Graff jeneratörü ile elde edilmiştir. Bu hızlandırıcı ile enerji olarak MeV düzeyine ulaşılmıştır. (1 eV bir elektronun 1 voltluk potansiyel farkını geçmesiyle kazanacağı enerjidir. 1 MeV=106 eV) İndüksiyon doğrusal hızlandırıcıları ile yine bir kaç MeV enerjiye ulaşmak aynı tarihlerde söz konusu olmuştur. RF salınımlı (~MHz) elektromagnetik alanlar  aracılığı ile uyarılan rezonans kavitelerin (rezonans boşlukları) parçacık hızlandırılmasında kullanımı Widereo tarafından önerildikten sonra 30 sürüklenme tüpüne sahip böyle bir hızlandırıcı ile civa iyonları 1.26 MeV lik enerjiye hızlandırılmışlardır [1]. 

 

Yükselen enerjilerde tüplerin sayılarının ve uyunluklarının artması dairesel hızlandırıcı fikrini ortaya koymuştur. Sabit yarıçap üzerinde indüksiyon yoluyla uyarılan elektrik alanın yine sabit yarıçaplı yörüngelerde parçacıkları hızlandırması ilkesine dayanan betatron, Aynı RF kaviteden geçilerek her defasında daha büyük yarıçaplar çizerek hızlandırma yapan mikrotron, D şekilli karşılıklı iki magnet arasındaki boşlukta  uygulanan RF hızlandırma geriliminden yaralanılarak spiral yörüngelerde hızlandırma yapan siklotron, dairesel bir yörünge boyunca her defasında RF kavitenin frekansının eş zamanlılık koşulu ayarlanacak şekilde arttırılması ilkesine dayanan ve sabit yarıçaplı yörüngelerde dipol magnetler aracılığı ile tutulan ve kuadropol magnetler aracılığı ile fokuslamanın yapıldığı sinkrotron dairesel hızlandırıcılar olarak geliştirilmiştir [1].

 

1940 lı yılların sonlarından başlayarak gelişen teknoloji ile ortalama her yedi yılda bir hızlandırıcılarla ulaşılan  enerjinin üst sınırı 10 kat arttırmış ve günümüzde TeV (1012 eV) enerjilere ulaşılmıştır. Parçacık fiziğinin ve nükleer fiziğin vazgeçilmez deneysel aygıtları olan hızlandırıcılar günümüzde temel parçacıkların üretimi, ikincil demetlerin üretimi, sinkrotron ışınımı üretimi, serbest elektron lazerlerinin üretimi ve başta temel araştırmalar olmak üzere, endüstriyel ve teknolojik ürünlerin imalinde ve kalite kontrolünde kullanılması ile özellikle  gelişmiş ülkelerde temel bilimlerin, mühendisliğin ve teknolojinin gelişmesinde kilit rol oynayarak makro ekonominin bir parçası halini almıştır. 

 

Bu çerçeveden bakarak, herbirinde yüzlerce doktoralı nükleer, parçacık ve hızlandırıcı fizikçisinin çalıştığı  İsviçre-Fransa sınırındaki Avrupa Nükleer Araştırmalar Merkezi CERN’nün (2), Almanya’da Alman Elektron Sinkrotronu DESY’nin [3], Japonya’da Japon Yüksek Enerji Fiziği Laboratuvarı KEK’nin [4], Amerika’da Stanford Lineer Hızlandırcısı SLAC’ın [5]ve Fermi Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı FNAL’in [6], Rusya’da BUDKER [7],  JINR-Dubna [8] ve IHEP-Protvino [9]  hızlandırıcı merkezlerinin kurulduğu dönemler ve sonrasında  bu ülkelere bilgi birikimi, mühendislik ve teknoloji alanında kazandırdıkları dikkatlice incelenirse hızlandırıcıların önemi kendiliğinden ortaya çıkacaktır.

 

            Parçacık hızlandırıcılarının günümüzde  başta parçacık fiziği ve nükleer fizik deneyleri olmak üzere malzeme fiziğinden, yüzey fiziğine, x-ışınlarından, nötron terapisine, proton terapisinden, iyon implantasyonuna, petrol ve gaz yataklarının aranmasından, çevre atıklarına, gıda ların korunumundan , izotop üretimine, nükleer atıkların temizlenmesinden, toryuma dayalı nükleer santrallere, polimerizasyondan, litografiye, anjiyografiden, baca gazlarının temizlenmesine, mikrospektroskopiden güç mühendisliğine, sinkrotron ışınmından serbest elektron lazerlerine, ağır iyon füzyonlarından plasma ısıtılmasına üçyüzün üzerinde kullanım alanı mevcuttur. Bu gün mikrogramına binlerce dolar ödenebilen bir izotopu  veya 15 yıl paslanmazlık garantisi bulunan bir metalik yüzeyi işlemek   hızlandırıcıya dayalı basit teknolojiler haline gelmiştir.

 

Sadece sinkrotron ışınımının Avrupada kullanımını ele alırsak, çalışır durumda bulunan ve halka tipli elektron hızlandırıcılarına dayalı  HASYLAB (Hamburg), BESSY (Berlin), ESRF (Granoble), ELETTRA (Trieste) v.b. sinkrotron ışınımı laboratuvarlarında fiziksel, biyolojik, kimyasal ve jeolojik numuneler üzerinde yapılan ve genel anlamda spektroskopiye dayalı araştırmaların yıllık sayısının binlerce olması mikro teknolojilerin gelişim hızı konusunda bazı ipuçları veriyor olmalı.

 

            Bu gün dünyada 4 kıtaya dağılmış onbinin (10000) üzerinde küçüklü büyüklü hızlandırıcı mevcuttur. Bunların yaklaşık 5000 adedi biyomedikal uygulamalar, yaklaşık 3000 adedi iyon implantasyonu, yaklaşık 1500 adedi ise endüstriyel amaçlı ışınım kullanımı için kurulmuştur. Daha önce bazılarının isimleri ve ülkeleri verilen ve daha çok parçacık fiziği, nükleer fizik deneyleri, sinkrotron ışınımı üretimi ve yeni teknoloji geliştirme amacıyla kurulan büyük ölçekli olanların sayısı ise 115 civarındadır. Ziyaretçi bilim adamları ile birlikte CERN de çalışan bilim adamı sayısı 4500 dür. DESY de çalışan bilim adamı sayısı ise 3000 civarındadır ve yüzde 95’i federal hükümetçe karşılanan yıllık cari bütçesi 300 milyon Alman markıdır. Söz konusu iki merkezdeki halen çalışan ve 2005 tarihine kadar kurulacak büyük ölçekli deney sayısı 10 dur [2, 3].

 

Ülkemizde bir ulusal yüksek enerji ve hızlandırıcı enstitüsü ve dolayısıyla orta ölçekli bile olsa bir hızlandırıcı laboratuvarı olmamasının nasıl bir eksiklik olduğu kendiliğnden anlaşılmaktadır. Bu eksikliğin kısmen giderilmesi için TAEK bir elektron hızlandırıcısı (500 keV) ile bir  siklotron (30 MeV) projelerini hayata geçirmek istemektedir ancak bu projelerin hayata geçirilmeleri zaman alacaktır. Ayrıca grubumuzca Ankara Üniversitesinde DPT adına yürüttüğümüz ve ana kısmı bir elektron-pozitron çarpıştrıcısı olan Hızlandırıcı Laboratuvarı Projesi sözkonusudur [10]. Bu proje 2000 yılının temmuz ayında tamamlanarak DPT’ye sunulacaktır. Her şey sağlandığı takdirde kurulması ve tam işlemesi 6-7 yılı bulabilecektir. Ancak unutulmamalıdır ki, yapımına karar verilip, para sağlansa ve gelişebilecek bazı olumsuzluklar bir kenara bırakılsa bile böyle bir projenin gerçekleşebilmesi konusunda hissedilecek en büyük eksiklik fizik camiasındaki kamuoyu eksikliği ve yetişmiş insan gücü olacaktır. Doktorasını doğrudan hızlandırıcı konusunda veya deneysel yüksek enerji konusunda yapmış fizikçisi sayısı avrupada ülke başına ortalama yaklaşık 150 civarında iken ülkemizde bu sayı 10 u geçmemektedir.

Kısacası bu alanda süratle kapatılması gereken büyük bir açık vardır!!.

 Parçacık Hızlandırıcıları ile ilgili linkler için tıklayınız...

Referanslar:

1.      H. Wiedemann, Particle Accelerators I. Springer-Verlag (1993).

2.      http://www.cern.ch

3.      http://www.desy.de

4.      http://www.kek.jp

5.      http://www.slac.stanford.edu

6.      http://.www.fnal.gov

7.      http://www.inp.nsk.su

8.      http://www.jinr.dubna.su  

9.      http://www.ihep.su

10.  http://bilge.science.ankara.edu.tr

 

Doç.Dr. Ömer YAVAŞ

E-mail: yavas@science.ankara.edu.tr

 

Dökümanlar

  Dökümanlar Sayfası İçin Tıklayınız.