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