T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BREMSSTRAHLUNG FOTON IŞINIMI İÇİN RADYATÖR PARAMETRELERİNİN BELİRLENMESİ

Transkript

1 T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ BREMSSTRAHLUNG FOTON IŞINIMI İÇİN RADYATÖR PARAMETRELERİNİN BELİRLENMESİ Zehra Nur DEMİRCİ Danışman: Prof. Dr. İskender AKKURT YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI ISPARTA- 2011

2

3 İÇİNDEKİLER İÇİNDEKİLER... i ÖZET... iii ABSTRACT... iv TEŞEKKÜR... v ŞEKİLLER DİZİNİ... vi ÇİZELGELER DİZİNİ... ix SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ... x 1. GİRİŞ Hızlandırıcı Teknolojisi Hızlandırıcıların tarihsel gelişimi Hızlandırıcıların tipleri Lineer hızlandırıcılar Dairesel hızlandırıcılar Hızlandırıcıların kullanım alanları Foton ve Özellikleri Foton Elde Etme Yöntemleri Kaynaktan elde etme yöntemi Lazer geri saçılma yöntemi Parçacık yok olma yöntemi Bremsstrahlung yöntemi Türk Hızlandırıcı Merkezi ve Bremsstrahlung Merkezi Türk hızlandırıcı merkezi Bremsstrahlung tesisi KAYNAK ÖZETLERİ MATERYAL VE YÖNTEM Materyal Radyatör Materyalleri ve Özellikleri Yöntem Fluka Kodu Geometrinin Kurulması i

4 4. ARAŞTIRMA BULGULARI Bremsstrahlung Foton Akısı Radyatörün Üzerinde Depo Edilen Enerji TARTIŞMA ve SONUÇ KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ ii

5 ÖZET Yüksek Lisans Tezi BREMSSTRAHLUNG FOTON IŞINIMI İÇİN RADYATÖR PARAMETRELERİNİN BELİRLENMESİ Zehra Nur DEMİRCİ Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. İskender AKKURT Türkiye de ilk defa kurulması planlanan Türk Hızlandırıcı Merkezi projesinde hayata geçirilecek olan ilk tesis TARLA (Turkish Accelerator and Radiation Laboratory at Ankara) Türkiye nin ilk radyasyon ışınım kaynağı olması bakımımdan önemlidir. Bu tesiste elektron demeti MeV enerji aralığında hızlandırıldıktan sonra IR-SEL üretimi yanında çeşitli Nükleer Fizik araştırmaları için bremsstrahlung fotonlarının üretildiği bremsstrahlung deney istasyonu kurulacaktır. Bu çalışmada kurulacak olan bremsstrahlung deney istasyonunun önemli donanımlarından biri olan radyatör tasarımı FLUKA simülasyon kodu kullanılarak yapılmıştır. Gelen elektron demet enerjisine bağlı olarak farklı kalınlıklardaki Al, Cu, Nb ve Ta radyatörleri için oluşan bremsstrahlung foton akıları ve fotonların açısal dağılımları incelenmiş, radyatör metalleri üzerinde depo edilen enerji hesaplanmıştır. Yapılan simülasyonlar sonucunda Ta metalinin diğer metallere göre en yüksek foton akısına ve en ideal açısal dağılıma sahip olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Bremsstrahlung foton, TARLA, Radyatör, FLUKA 2011, 54 sayfa iii

6 ABSTRACT M.Sc. Thesis DETERMINATION OF RADIATOR PARAMETERS FOR BREMSSTRAHLUNG PHOTON RADIATION Zehra Nur DEMİRCİ Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences Physics Department Supervisor: Prof. Dr. İskender AKKURT TARLA (Turkish Accelerator and Radiation Laboratory at Ankara), which is the first facility to be implemented in the Project of Turkish Accelerator Center, is very important in terms of being the first radiation source of Turkey. After electron beam is accelerated within the energy range of 10 to 40 MeV, there will be established bremsstrahlung facility produced bphotons for various nuclear physics research besides the production of IR-SEL. Radiator, which is one of the most important equipment of the bremsstrahlung facility has been designed using FLUKA code in this study. Depending on incoming electron beam energy bremsstrahlung photon flux and angular distribution of photons formed for A1, Cu, Nb and Ta with different thickness has been investigated and the energy stored up on radiator metals has also been calculated. It has been obtained as a result of simulation that Ta metal has the highest photon flux and the optimum angular distribute campared with other metals. Key Words: Bremsstrahlung photon, TARLA, Radiator, FLUKA 2011, 54 pages iv

7 TEŞEKKÜR Bu mertebeye gelmemde büyük emeği olan, çalışmalarından ve bilgi birikimden her zaman faydalandığım danışmanım sayın Prof. Dr. İskender AKKURT hocama ve tezimle ilgili olan bilgisayar programını öğreten ve çalışmalarım esnasında her zaman destek olan, aynı zamanda Türk Hızlandırırıcı Projesi bremsstrahlung grubu üyesi olan sayın hocam Yrd. Doç. Dr. Nilgün DEMİR e ve grubumuzun diğer üyelerine teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarımda desteklerini esirgemeyen çalışma arkadaşlarıma ve tezimin fiziksel yapısını oluşturmamda yardım ve desteği için Kadir GÜNOĞLU ve Songül TOKALI ya teşekkürlerimi sunarım. SDÜBAP/2481-YL-10 No lu Proje ile tezimi destekleyen Süleymen Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimi Başkanlığı na ve üyesi olduğum Türk Hızlandırıcı Merkezi projesine (DPT 2006K ) desteklerinden dolayı teşekkürlerimi sunarım. Bugünlere gelmemde büyük emeği olan, her konuda beni destekleyen sevgili aileme teşekkürlerimi sunarım. Zehra Nur DEMİRCİ ISPARTA v

8 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 1.1. Lineer hızlandırıcının temel yapısı... 5 Şekil 1.2. Lineer hızlandırıcı... 6 Şekil 1.3. Siklotronun şematik tasarımı... 7 Şekil 1.4. Mikrotronun şematik tasarımı... 8 Şekil 1.5. Bir sinkrotronun işletim devri... 9 Şekil 1.6. Betatron Şekil Co kaynağından foton elde edilmesi Şekil Co bozunma şeması Şekil 1.9. Lazer ışığının temel prensibi Şekil Yüksek enerjili elektrondan fotonun geri yansıması Şekil Lazer geri saçılması Şekil Parçacık yok olması Şekil Bremsstrahlung foton oluşumu Şekil Bremsstrahlung fotonlarının açısal dağılımının şematik gösterimi Şekil Bremsstrahlung deney şeması Şekil Türk hızlandırıcı merkezi bina iç planlaması Şekil TARLA şematik gösterimi Şekil 2.1. FLUKA kodu ile hesaplanan enerji birikimi Şekil 2.2. Nb radiator kalınlığına bağlı olarak 5mrad açıda 12 MeV enerjili 10 9 adet elektron tarafından üretilen foton akısı Şekil 2.3. Farklı kalınlıklı Nb radyatör için elektron demeti ve oluşan foton demeti arasındaki açıya bağlı olarak üretilen foton sayısı Şekil 3.1. Radyatör Şekil 3.2. FLUKA programı ile tanımlanan geometrinin gösterimi Şekil MeV elektron demeti için 4 μm kalınlıklı (Al,Cu,Nb,Ta) radyatörlerde oluşan foton akısı Şekil MeV elektron demeti için 10 μm kalınlıklı (Al,Cu,Nb,Ta) radyatörlerde oluşan foton akısı Şekil MeV elektron demeti için 30 μm kalınlıklı (Al,Cu,Nb,Ta) radyatörlerde oluşan foton akısı vi

9 Şekil MeV elektron demeti için 50 μm kalınlıklı (Al,Cu,Nb,Ta) radyatörlerde oluşan foton akısı Şekil MeV elektron demeti için 4μm kalınlığındaki Ta radyatöründe farklı yarıçaplarda (0.8, 1, 1.2, 1.4 cm) oluşan foton akısı Şekil MeV elektron demeti için 12μm kalınlığındaki Nb radyatöründe farklı yarıçaplarda (0.8, 1, 1.2, 1.4 cm) oluşan foton akısı Şekil MeV elektron demeti için 0.8 cm yarıçaplı farklı kalınlıklardaki (4 μm, 12 μm, 20 μm) Ta radyatöründe oluşan foton akısı Şekil MeV elektron demeti için 0.8 cm yarıçaplı farklı kalınlıklardaki (4 μm, 12 μm, 20 μm) Nb radyatöründe oluşan foton akısı Şekil MeV enerjili elektron demeti için kalınlığa bağlı foton sayısı Şekil MeV enerjili elektron demeti için kalınlığa bağlı foton sayısı Şekil μm kalınlığındaki Ta radyatörlerde oluşan foton akısı Şekil μm kalınlığındaki Nb radyatörlerde oluşan foton akısı Şekil MeV elektron demeti için farklı radyatörlerde 5 mrad açıya saçılan foton akısı Şekil MeV elektron demeti için farklı radyarörlerde 10 mrad açıya saçılan foton akısı Şekil MeV elektron demeti için 4 μm kalınlıklı farklı radyatörlerde oluşan fotonların açısal dağılımları Şekil MeV elektron demeti için 12 μm kalınlıklı farklı radyatörlerde oluşan fotonların açısal dağılımları Şekil MeV elektron demeti için farklı kalınlıklı Ta radyatöründe oluşan fotonların açısal dağılımı Şekil MeV elektron demeti için farklı kalınlıklı Nb radyatöründe oluşan fotonların açısal dağılımı Şekil MeV elektron demeti için 25 μm kalınlıklı Al radyatöründen oluşan fotonlarının açısal dağılımı Şekil MeV elektron demeti için 16 μm kalınlıklı Cu radyatöründen oluşan fotonlarının açısal dağılımı Şekil MeV elektron demeti için 12 μm kalınlıklı Nb radyatöründen oluşan fotonlarının açısal dağılımı vii

10 Şekil MeV elektron demeti için 4 μm kalınlıklı Ta radyatöründen oluşan fotonlarının açısal dağılımı Şekil MeV elektron demeti için 12μm kalınlıklardaki Nb radyatörde depolanan enerji Şekil MeV elektron demeti için 50μm kalınlıklardaki Nb radyatörde depolanan enerji Şekil MeV elektron demeti için 4μm kalınlıklardaki Ta radyatörde depolanan enerji Şekil MeV elektron demeti için 50μm kalınlıklardaki Ta radyatörde depolanan enerji Şekil MeV enerjili elekton demeti için 0.8 cm yarıçaplı radyatörlerde depolanan enerjinin radyatörün kalınlığına bağlı değişimi Şekil MeV enerjili elekton demeti için 0.8 cm yarıçaplı radyatörlerde depolanan enerjinin radyatörün kalınlığına bağlı değişimi viii

11 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge 1.1. Bazı radyoaktif izotopların yarı ömür ve enerjileri Çizelge 3.2. Radyatör metallerinin özellikleri Çizelge 3.1. FLUKA kodundaki parçacıkların taşınma enerji limitleri ix

12 SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ λ Al Ar-Ge BESSY c CERN Cu DESY DPT E ELBE ELSA FZD GeV HZDR INFN IR SEL ISR kev LASER LEP LHC ma MAMI MCNP dalgaboyu Aliminyum Araştırma ve Geliştirme Berlin Sinkrotron Işınımı Enstitüsü (Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung) ışık hızı sıcaklık birimi (santigrad derece) Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (Centre Europeen de Recherche Nucleaire) Bakır Alman Elektron Sinkrotronu (Deutsches Elektronen Synchrotron) Devlet Planlama Teşkilatı Enerji Electron linac for beams with high brilliance and low Emittance (Electron Stretcher Accelerator) (ForschungsZentrum Dresden) gigaelektron volt Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf Ulusal Nükleer Fizik Enstütüsü (National Institute of Nuclear Physics) Serbest Elektron Lazeri Intersecting Storage Rings kiloelektron volt Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (Large Electron Positron) Büyük Hadron Çarpıştırıcısı (The Large Hadron Collider) miliamper Mainzer Mikrotron Monte-Carlo Neutron Particle x

13 MeV mrad Nb RF SEL SLAC Ta TAC TARLA THM YUUP μm ν megaelektron volt miliradyan Niyobyum Raydo frekans Serbest Elektron Lazeri Stanford Lineer Hızlandırıcı Merkezi (Stanford Linear Accelerator Center) Tantal Türk Hızlandırıcı Merkezi (Turkish Accelerator Center) Türk Hızlandırıcı ve Radyasyon Laboratuarı Ankara (Turkish Accelerator and Radiation Laboratory at Ankara) Türk Hızlandırıcı Merkezi Yaygınlaştırılmış Ulusal ve Uluslararası Projeler mikrometre frekans xi

14 1. GİRİŞ Nükleer Fizik, atomu meydana getiren çekirdeğin özelliklerini ve etkileşimlerini inceler. Bu sebeple Nükleer Fiziği çekirdeğin statik özellikleri (nükleer yapı) ve dinamik özellikleri (bozunma ve nükleer reaksiyonlar) olmak üzere iki ana bölümde incelemek mümkündür. Temel bilimler içerisinde birçok alanda kullanılır. Örneğin Fizik alanında; katıların elektron yapısını, yüzeylerin ve ara yüzeylerin incelenmesinde kullanılmaktadır. Kimya alanında; elektron spektroskopisi ve kimyasal analizde, biyoloji alanında ise; akışkan yüzeylerde kompleks biyomoleküllerin yapısını araştırmak amacıyla kullanılmaktadır. Tıptaki teşhis ve tedavi amaçlı kullanılan hızlandırıcılarla dokuların, kemiklerin ve organların test edilmesi ve kanserli hücrelerin yok edilmesi için proton, nötron veya ağır iyonlar kullanılması sağlık alanındaki uygulama alanları arasında sayılabilir. Endüstride basınç boruları, kaynatıcılar ve metal dökme kalıpların içindeki çatlak ve yarıkların araştırılmasında kullanılmaktadır Hızlandırıcı Teknolojisi 21. yüzyılda yeni teknolojilerin üretilmesine, yeni keşiflerin ve araştırmaların yapılmasına katkı sağlayan parçacık hızlandırıcıları, yüksek teknolojiye sahip donanımlardır, çekirdeğin içyapısına doğru yöneltilmiş dev mikroskoplara benzerler. Optik mikroskopların çalışmasına benzer olarak, hızlandırıcılar; çekirdeğin üzerine yüksek enerjili parçacıklar gönderip, çarpışma sonrasındaki sapma ya da saçılma biçimlerini belirleyerek, ilk kez Rutherford un 20. yüzyılın başlarında, alfa parçacıklarını altın çekirdeklerine doğru yönlendirmesi deneyinde olduğu gibi, hedefin içyapısıyla ilgili ipuçları verirler. Bu parçacıklar da çekirdek gibi bir içyapıya sahip olduğundan bu yapıları da ortaya çıkarmak için parçacık demetlerini birbirleri ile çarpıştırma deneyleri tasarlanabilir. Aynı zamanda ikincil demetlerin elde edilmesi, sinkrotron ışınımı, serbest elektron lazerleri ve Bremsstrahlung fotonu vb. nin üretiminde kullanılan parçacık 1

15 hızlandırıcılarının lineer (doğrusal) ve dairesel tipte çeşitleri olup, henüz tespit edilmiş birçok somut uygulama alanları vardır Hızlandırıcıların tarihsel gelişimi Fizikçiler 19. yüzyıl başında Crookes tüpleri ve içinde elektrot bulunan boşaltılmış cam sistemlerle deneyler yaptılar. Bu deneylere göre elektrotlar arasında yeteri derecede büyük gerilim uygulandığında elektronlar bir akım meydana getirir da J.J Thomson elektronun keşfi esnasında bir Crookes tüpü kullandı da ise Röntgen X- ışınlarını bir Crookes tüpü kullanarak keşfetti ve daha sonra X- ışınları tüpü Coolidge tarafından pratik bir alet haline getirildi deki bir konferansta Rutherford nükleer fizik araştırmalarında kullanılması için ve atom çekirdeğinin anlaşılmasında daha ileri gelişmeler için çok daha yüksek enerjili parçacıklara ihtiyaç olduğunu işaret ederek parçacık hızlandırıcılarının geliştirilmesini önerdi. Daha sonraki 10 yıl boyunca yüksek voltaj ve çevrimsel hızlandırıcıların ikisi de kurulmuştu. Cockcroft ve Walton, Rutherford un Cavendish laboratuarlarında başarılı bir hızlandırıcı tüp geliştirdiler de 300 kev lik proton hızlandırıcısını ilk nükleer fizik deneyini yapmak için geliştirdiler te Ising ilk çevrimsel hızlandırıcıyı sürüklenme tüplü lineer hızlandırıcı olarak önerdi ve Wideroe bu düşünceyi genişletti de ise çalışan bir lineer hızlandırıcı inşa etti. Wideroe nin çalışmalarının belki de en önemli sonucu, Lawrence ve Livingston u 1932 de ilk çalışan siklotronu inşa etmesi için uyarması olmuştur. Bu siklotronların ilk başarıları 1930 larda Lawrence in laboratuarlarında gözlendi de Lawrence nin siklotronları ve Van de Graaff tarafından düşünülen ve geliştirilen elektrostatik jeneratörler 1930 lar boyunca Nükleer Fizik araştırmalarında kullanıldı. Bunların her ikisi de 15 MeV veya daha küçük enerjilere sınırlandırılmışlardır ve bu enerji değerinden daha yüksek enerjilere ulaşmaları 1930 lar boyunca yapılan araştırmaların en önemli konusu olmuştur. 2

16 1941 de Kerst ilk başarılı betatronu kurdu ve ikinci Dünya Savaşı araya girmeden ikinci bir 20MeV lik betatronu inşa etti da ilk sinkro-siklotron çalıştırıldı. Birkaç sene içerisinde de belli bir sayıda 300 MeV lik elektron sinkrotronları işleme sokuldu ve bu hızlandırıcılarla yapılan çalışmalar π mezonunun özelliklerinin öğrenilmesinde önemli yer tuttu. Proton siklotronları inşa etmek için çalışmalar 1940 ların sonlarında tekrar başladı. New York Brookhaven deki ilk proton siklotronu olan 3 GeV lik Cosmotron 1952 de çalışmaya ve California Berkeley deki 6 GeV lik Betatron 1954 de çalışmaya başlamıştır. Courant, Livingston ve Snyder tarafından tartışılan güçlü odaklama prensibinin 1952 de kabul edilmesi ile yüksek hızlandırıcı enerjisine doğru bir geçiş amaçlanmıştır de Christofilos un bağımsız olarak bu prensibi geliştirildiği gözlendi. Kuvvetli odaklamanın bulunması parçacık hızlandırıcılarında bir teknik fikir ve bilgi patlamasına sebep olmuş ve bu fikirlerin deneysel olarak uygulanması gecikmemiştir te Wilson ve çalışma arkadaşları tarafından ilk kuvvetli odaklama elektron sinklotronu çalıştırılmış ve bunu birçok elektron siklotronu izlemiştir ların ilk yıllarında ilk elektron depolama halkaları kurulmuş ve çalıştırılmıştır. 28 ve 33 GeV lik iki büyük proton sinkrotronu CERN (Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi) ve Brookhaven laboratuarlarında kurulmuştur. Bu laboratuarlarda bir çok başarılı deney yapılmıştır. Bu deneyler sayesinde CERN ve Brookhaven yüksek enerji parçacık fiziğinde yeni parçacıkların keşfi ve anlaşılması konusunda büyük gelişmelerin meydana geldiği kuruluşlar haline gelmiştir. Elektron sinkrotronları ve 1966 da 20 GeV e ulaşan Stanford lineer hızlandırıcısı bu anlayışla kurulmuşlardır. İlk büyük proton depolama halkası 1960 ların sonlarında ISR CERN de inşa edildi ve her biri 28 GeV olan proton demetleri depolandı. Şu anda elektron-pozitron depolama halkaları 30 GeV e ulaşmış ve proton sinkrotronlarında olduğu gibi elektron-pozitron depolama halkaları hızla geliştirilmiştir. 3

17 Fermilab ta süperiletken mıknatıslar 400 GeV lik hızlandırıcı tüneline yerleştirilmiş ve 1983 de enerji 800 GeV e kadar çıkarılmıştır. CERN sinkrotronu, Van de Moor tarafından yeni bir demet soğutma tekniği ile anti-protonlar toplanarak küçük bir halkanın eklenmesiyle bir proton, anti-proton depolama halkasına dönüştürülmüştür de W ve Z parçacıklarının keşfiyle sonuçlandırılan demet çarpıştırma deneyleri burada gerçekleştirilmiştir. Tarihsel gelişimden de anlaşıldığı gibi hızlandırıcı teknolojisinde önemli gelişmeler olmuştur. Bu gelişmeler bilim, tıp ve endüstrideki uygulamalarında maksimum enerji kapasitesini demet akım kapasitesini 50 sene içerisinde 10 milyondan fazla bir çarpanla arttırmıştır. Aynı zamanda, hızlandırılan atomik parçacıkların çeşidi artmış, parçacık hızlandırma işleminin maliyeti düşürülmüş ve bilimsel araştırmalar için olan hızlandırıcılardaki gelişmeler birim demet enerjisi başına düşen maliyeti azaltmıştır. Tıpta kullanılan hızlandırıcılardaki büyük gelişmeler ve hızlandırılan parçacıkların çeşidinin artması, demetlerin kontrolündeki kesinlik ile cihazların maliyeti ve sağlamlığı üzerinde yoğunlaşmayı sağlamıştır. Endüstriyel alanda ise uygulamalar sürekli olarak hızlandırıcı maliyetindeki düşüş üzerine, demet akımı ve hızlandırılan parçacıkların çeşidinin artırılması üzerine odaklanmıştır. Bütün hızlandırıcı uygulamalarına karşı en önemli gelişmeler temel bilimler için kullanılan hızlandırıcılarda meydana gelmiştir. Bu gelişmeler var olan hızlandırıcı tiplerindeki gelişmeler ile yeni ve geliştirilmiş hızlandırıcı metotları olarak sınıflandırılabilinir. Hızlandırıcı tiplerindeki gelişmeler, özellikle ön plana çıkmaktadır Hızlandırıcıların tipleri Yüksek enerjili parçacıklar üretmek için düşük voltajın tekrarlı bir şekilde kullanıldığı iki çeşit hızlandırıcı vardır. Bunlardan biri her bir parçacığın bir kez geçtiği lineer hızlandırıcılar diğeri ise her bir parçacığın kapalı bir yörünge içerisinden dolaştığı ve aynı hızlandırıcı yapı içerisinden tekrar geçtiği dairesel hızlandırıcılardır. 4

18 Lineer hızlandırıcılar Parçacık hızlandırıcılarının genel anlamda çalışma prensibi şekil 1.1. de görüldüğü gibi elektron, proton gibi yüklü parçacıkları elektrik alan kullanarak yüksek hızlara çıkarmak ve manyetik alan kullanarak demet halinde bir arada tutmaktır. Şekil 1.1. Lineer hızlandırıcının temel yapısı Manyetik alan, kapalı yörüngeler boyunca parçacıkların yörüngelerini bükmek için kullanılır ve hızlandırıcı kuvvet zamanla bir çevrimsel hızlandırıcı içinde zamanla değişmelidir. Hızlandırıcı kuvvet zamanla değişmezse, yüksek enerji üretmek için tekrar tekrar kullanılamaz. Lineer hızlandırıcıda parçacıklar elektrik alanın etkisi ile istenilen yönde hızlandırılabilirler ve statik elektrik veya manyetik alanları kullanarak manyetik merceğin etkisiyle demet içinde odaklanabilirler. Bazı durumlarda ise zamanla değişen harmonik alanlar radyo frekans kuadropol odaklama sistemi ile yapılır. Fermi laboratuarındaki lineer hızlandırıcı şekil 1.2. de verilmiştir. 5

19 Şekil 1.2. Lineer hızlandırıcı (Fermi National Accelerator Laboratory, 2011) Dairesel hızlandırıcılar Dairesel hızlandırıcılarda da lineer hızlandırıcılardaki gibi zamanla değişen alanlar parçacıkları hızlandırmak için kullanılır. Burada parçacıkları kapalı bir yol etrafında bükerek tekrar hızlanan bir yapıya getirmek için ayrıca manyetik alanlar olmalıdır. Hızlandırıcı yapılar ve manyetik alanlar değişik hızlandırıcılarda çok değişik şekillerde olabilir. Siklotron: En eski dairesel hızlandırıcı ilk olarak 1932 yılında Lawrance tarafından bulunan, Lawrance ve Livingston tarafından kullanılan siklotrondur. Siklotronlar, şekil 1.3. de görüldüğü gibi karşılıklı iki magnet arasındaki boşlukta uygulanan RF (radyo frekans) hızlandırıcı gerilimi sayesinde, parçacıkları spiral bir yörüngede hızlandırabilen dairesel hızlandırıcılardır. 6

20 Sabit manyetik alan altında yapılan hızlandırma işlemi sonucunda parçacıkların enerjilerinin artmasıyla izlenen dairesel yörüngelerinin çapı da artmaktadır. Yarıçap arttıkça daha büyük mıknatısa ihtiyaç duyulmaktadır ve bu da siklotronun maliyetini arttırmaktadır. Şekil 1.3. Siklotronun şematik tasarımı Mikrotron: Mikrotron parçacıkları şekil 1.4. deki şema da görüldüğü gibi belli bir bölgede, sabit bir manyetik alan altında, değişken yarıçaplarda döndürüp, hızlandırıcı bir kaviteden birçok kez geçirerek enerji kazandıran hızlandırıcılardır. Elektronlar için düşük enerjilerde en uygun hızlandırıcı tipi mikrotrondur. Mikrotronların yapısı koşu yolu şeklindedir ve elektronları 100 MeV den daha büyük enerjilere hızlandırmak için kullanılır. 7

21 Şekil 1.4. Mikrotronun şematik tasarımı Sinkrotron: Yüksek hızlarda temel parçacık, bir manyetik alan etkisiyle dairesel yörüngede hareket ettirilir. Bu yöntem ilk defa 1947 yılında kullanılmıştır ve elektronun ivmeli hareketinden bir ışınım elde edilmiştir. Şekil 1.5. de görüldüğü üzere ön hızlandırıcıda hızlandırılan demet, enjeksiyon bölgesinden sabit yarıçaplı halkaya sokulur ve demet yörüngede defalarca dolanarak hızlandırıcı RF alanından geçer. İstenilen enerjiye ulaştığında ise demet halkanın dışına alınarak çarpıştırıcı olarak ya da sabit enerjide halka içinde tutularak depolama halkası olarak kullanılır. 8

22 Şekil 1.5. Bir sinkrotronun işletim devri Elektron sinkrotronlarının çalışma prensibi ve manyetik alan şekillenimi proton sinkrotronlarının çalışma prensibine benzer, yalnız elektron sinkrotronlarının kendine has özellikleri de vardır. Yüklü bir parçacığın (elektron veya pozitron) manyetik alan içinde rölativistik hızlardaki dairesel hareketinden dolayı elde edilen ışınıma sinkrotron ışınımı denir. Elektron gibi hafif parçacıklar, eğer içe doğru dönmeyip duvarla çarpışıyorsa çok büyük enerji kaybı olur ve bunun tekrar sağlanması gerekir. CERN deki elektron-pozitron çarpıştırıcısı LEP (Large Electron Positron) bu güne kadar inşa edilmiş en büyük sinkrotrondur. Bu sinkrotronun çevresi 27 km ve demet enerjileri demet başına 100 GeV mertebesine kadar ulaşmıştır. Betatron: Lineer hızlandırıcılarda olduğu gibi, parçacıkları dairesel indüksiyonla da hızlandırılabilen dairesel indüksiyon hızlandırıcılarına Betatron denir. Çalışma prensibi ise zamanla değişen bir manyetik alanın, bir elektrik alan indüklemesine dayanır ve indükleme ile oluşan elektrik alan, betatrona giren elektronları hızlandırırken, manyetik alan ise onları belli bir yörüngede tutar. 9

23 Giderek hızlanan elektronları sabit yörüngede tutmak için gerekli olan manyetik alan büyüklüğü de artar ve bu durumda uygulanan manyetik alan parçacıkları yörüngede tutacak kadar güçlü olmalıdır. En büyük betatron 300 MeV enerjili elektronlar üretebilir. Birçok betatron tıbbi ve endüstriyel amaçlarla MeV enerjili elektronları elde etmek için kullanılır. Şekil 1.6. Betatron (Illinois, 1940) Şekil 1.6. da gösterilen 1940 yılında ilk manyetik indüksiyon hızlandırıcısı Illinois Üniversitesi nde Prof. Dr. Donald Kerst tarafından yapılmıştır ve Orijinal Betatron şu anda Smithsonian Enstitisünde bulunmaktadır Hızlandırıcıların kullanım alanları Yüksek enerji fiziğinin ya da temel parçacık fiziğinin başlıca deneysel ortamları olan parçacık hızlandırıcıları, parçacıkları çok yüksek enerjilere hızlandırmak için kullanılır. Hızlanan parçacıklar vasıtası ile maddenin içyapısı ve davranışlarını yöneten kuvvetler ayrıntılı olarak araştırılır. Parçacık demeti ile çarptığı hedef parçacıklar arasındaki karşılıklı etkileşimde maddenin doğasıyla ilgili ipuçları sağlayacak yeni parçacık türleri ortaya çıkabilir ve genellikle ortaya çıkan bu parçacıklar kısa ömürlüdür. Bundan dolayı da mikro saniyeden daha kısa bir süre de radyoaktif olarak bozunabilirler. Fazla olmamakla beraber doğada kozmik ışınlar 10

24 tarafından üretilmektedir. Hızlandırıcıların kullanımında bu parçacıklar ve etkileşmeleri üzerine sistematik çalışmalar ve kontrollerin yapılması gerekmektedir. Bir parçacık demeti hedefteki bir parçacıkla çarpıştığında birçok değişik türde olabilecek olay mevcuttur. Parçacık demeti saçılabilir ve bu saçılan parçacıkların gözlenen dağılımı saçan hedefin şeklini ve boyutunu belirlemede kullanılır. Buna Rutherford un atomik çekirdeğin varlığını ispat eden klasik deney örnek olarak verilebilir. Çarpışmadan dolayı atomlar veya hedef çekirdek farklı bir duruma dönüşebilirler ve çekirdek daha yüksek bir enerji seviyesine uyarılabilir. Taban durumuna geri dönerken ise ışıma gözlenir. Diğer durumlarda, hedef çekirdek küçük parçacıklara dağılabilir ya da parçacık demeti hedef çekirdek içerisinde eriyebilir. Bu durumda ise bir ürün çekirdek gözlenir. Çarpışma esnasında yeni parçacık türleri yaratılabilir. Örneğin pozitronlar, anti protonlar, mezonlar ve hiperonlar yaratılabilir ve bu parçacıkların özellikleri gözlenebilir. Bazı durumlarda ise yaratılan parçacıklar ile bir demet oluşturabilir ve bu ikincil demet deneyler için kullanılabilir. Atomik çekirdekteki çok daha küçük mesafeleri araştırabilmek için daha yüksek enerjilere ihtiyaç vardır. Şuan da fizik deneylerinde kullanılan en yüksek enerjiler sabit hedef deneylerinde 1 TeV e ve demet çarpıştırma araştırmalarında ise iki demetten her biri 1 TeV e yaklaşmaktadır. Aynı zamanda, CERN de LHC demetlerden her biri 7 TeV e yaklaşan bir çarpıştırıcıda kurulmaktadır. Bu hızlandırıcılar boyut olarak çok büyüktürler ve karmaşıktırlar. İnsanlar tarafından inşa edilen en karmaşık aletlerden oluşan bu büyük hızlandırıcıların çalıştırılması için fazla sayıda insana ihtiyaç duyulmaktadır. Hızlandırıcıların aynı zamanda tıbbın çok önemli iki kolu olan teşhis ve tedavide kullanılmaktadır. Bu hızlandırıcıların kullanımları X-ışınlarına çok benzerdir. İçinde elektronlar hızlanmakta ve X-ışınları üretmek için bir hedefe çarpmaktadır. Bu 11

25 üretilen X-ışınları da vücuttaki dokuları, kemikleri ve organları test etmek teşhise yardımcı olmak için kullanılırlar. X-ışınları ışıma yoluyla kanserli tümörlerin öldürülmesiyle yapılan tedavi şeklinde de kullanılmaktadır. Burada yüksek enerjili elektronlar daha fazla içe giren X-ışınları üretmek için kullanılır ve elde edilen enerjiler yaklaşık MeV dir. Kanser tedavisinde kullanmak için ağır parçacık hızlandırıcıları proton, nötron veya ağır iyonların üretiminde de kullanılırlar. Tedavi esnasında enerjileri 10 MeV den birkaç GeV e kadar değişen ağır parçacıklar kullanılır. Hızlandırıcıların başka bir kullanım alanı olan endüstrideki kullanımı ise tıpdaki kullanımıyla benzerlikler gösterir. Parçacık enerjileri düşük enerji değerindedir ve bu değer genellikle birkaç kev den 10 MeV e kadardır. Endüstriyel en önemli kullanım alanı teşhis ve kontrol alanıdır. Basınç boruları, kaynatıcılar, diğer büyük metal dökme kalıplar genellikle kalıbın uzunluğunu azaltacak olan içteki çatlak ve yarıkların araştırılması için X-ışınlarına maruz bırakılır. Kalın kalıpların çok daha büyük delinmelerinde 20 MeV ya da daha büyük enerjili parçacıklar sıkça kullanılır. İmal edilen çoğu nesne hızlandırıcılar tarafından sterilize edildiği gibi benzer sterilizasyon bandajları ve cerrahi araçlar içinde tercih edilen bir yöntemdir. Bunun nedeni ise bu metodun ısıtma ile yapılan sterilizasyondan daha az zarar vermesidir. Sterilizasyon için kullanılan hızlandırıcıların enerjileri yeteri kadar düşük olduğu içinde sterilizasyon esnasında nesnede radyoaktiviteye neden olunmaz. Malzemeler hızlandırıcı ışımaları tarafından kimyasal olarak da değişirler. Bu uygulamaların önemlilerinden biri plastiklerin polarizasyonudur. Hızlandırıcılardan elde edilen ışınımlar besin korunumunda da kullanılmaktadır. Çevresel atıklarda bulunan zararlı bakterileri hızlandırıcı demetleri ile yok edilmesi de yeni bir uygulama alanıdır. Sonuç olarak Hızlandırıcı Teknolojileri başta Temel Parçacık Fiziği ve Nükleer Fizik deneyleri olmakla beraber, Malzeme Fiziğinden Mikrospektroskopiye, Hadron Terapisinden çevresel atıklarının etkisiz hale getirilmesine, gıda sterilizasyonundan izotop üretimine, nükleer atıkların temizlenmesinden toryuma dayalı nükleer 12

26 santrallere, sinkrotron ışınımından serbest elektron lazerine, ağır iyon füzyonlarından plazma elde edilmesine kadar birçok alanda kullanılabilmektedir Foton ve Özellikleri 1900 lerde bir metal yüzeyine düşen ışığın metalden elektron söktüğü biliniyordu. Bunun klasik fizikte açıklaması vardı. Çünkü, o zamanlar ışığın elektromanyetik dalga olduğu hesaplanmıştı. Buna göre elektromagnetik dalganın elektriksal alan bileşeni elektrona bir kuvvet uygular ve onu yüzeyden söker. Bu son derece inandırıcı bir açıklamadır. Ancak yapılan deneysel açıklamalar sökülen elektronun kinetik enerjisi, ışığın şiddetinden bağımsızdır ve yalnızca ışığın frekansı ile doğru orantılıdır. İşte bu sonuçlar klasik fizik için sürpriz sonuçlardır. Metalin yüzeyinden salınan elektronların sayısı, metal yüzeyine düşen ışık şiddetiyle orantılıdır. Bu sonuç Einstein e metal yüzeyine düşen ve o zamanlar dalga özelliği gösterdiği çok iyi bilinen elektromagnetik enerjinin (ışığın), enerjileri hν olan enerji kuantumlarında yani fotonlardan oluştuğu fikrini vermiştir (Apaydın, 2004). Fotonlar etkileşimlere parçacık olarak girebilir fakat dalga olarak yayılır; kütlesi ve yükü sıfır olmasına rağmen diğer parçacıklar gibi kütle çekiminden etkilenir. Elektromanyetik dalgayı iletir. Boş bir uzayda ışık hızıyla hareket eden fotonun enerjisi; rölativistik enerji bağıntısından E=pc dir. Frekansı υ ve dalga boyu λ olan bir fotonun enerjisi E=hc/λ ile verilir. Fotonların parçacık mı yoksa dalga mı olduğu sorusu cevaplanması en zor sorudur. Fotoelektrik etki ve compton saçılması gibi deneyler elektromagnetik radyasyonun foton olarak bilinen parçacık-gibi kuantumlar olarak etkileştiğini gösterir, girişim ve kırınım içeren bazı deneyler ise elektromagnetik radyasyonun (ışımanın) deney düzeneğiyle dalgalar şeklinde etkileştiklerini gösterir. Bu da fotonlar için dalga parçacık ikilemini ortaya çıkarır. Parçacıklar enerjilerini konsantre paketler şeklinde verirken bir dalganın enerjisi tüm dalga cephesi boyunca düzgün bir şekilde yayılır. 13

27 Örneğin; fotonu sadece parçacık olarak incelersek, çift-yarık deneyinde gözlenen girişim desenini açıklamak zor olur. Bir parçacık ya bir yarıktan veya diğerinden gitmelidir; sadece bir dalga cephesi ikiye ayrılarak her iki yarıktan geçer ve daha sonra birleşir. Eğer dalga ve parçacık yorumlarını geçerli ama birbirini dışlayan alternatifler olarak kabul edersek, bir kaynaktan çıkan fotonun ya dalga ya da parçacık olarak yayılması gerektiğini de kabul etmemiz gerekir. De Broglie parçacıkların dalga özelliği gösterdiğini ileri sürdükten sonra ve bunun deneylerle kanıtlanmasından sonra Kuantum Mekaniği nin nereden yola çıkılması gerektiğine ışık tutucakır (Karaoğlu, 2006). Demek oluyorki madde ve ışığın dalga ve parçacık özellikleri, bir tek gözlemde birlikte ortaya çıkarılamaz. Yani madde ve ışıgın dalga ve parçacık özellikleri, bir metal paranın iki yüzü gibidir. Bir metal para ile bir atışda, ya yazı yukarı gelir yada tura; hem yazı hem tura birlikte yukarı gelemez. Bir tek gözlemde maddenin ve ışığın, ya dalga ya da parçacık özelliği ortaya çıkar (Apaydın, 2004) Foton Elde Etme Yöntemleri Kaynaktan elde etme yöntemi Radyoakitf olan bazı çekirdekler kararlı hale geçerken gama yayınlarlar. Bu şekilde radyoaktif izotoplardan gama enerjisi elde edilebilir. Bu izotoplardan bazıları, kobalt ( 60 Co), sezyum ( 137 Cs), evropyumun ( 152 Eu), bizmut ( 207 Bi), baryum ( 133 Ba) dur. 60 Co, kobaltın radyoaktif izotopudur. Yarı ömrü 5.3 yıldır. Gama enerjisi 1.33 MeV ve 1.17 MeV dir. Kobalt 60 beta ve gama emisyon ile radyoaktif olmayan nikele bozunur. 60 Co kaynağından foton elde edilmesi şekil 1.7. de ve bozunma şeması şekil 1.8. de görülmektedir (1.1) 14

28 Şekil Co kaynağından foton elde edilmesi 60 Co bozunumundan yayınlanan, radyasyonunun çoğu gama şeklinde; bazısı da beta parçacıkları şeklindedir. Şekil Co bozunma şeması Çizelge 1.1. de bazı radyoaktif izotopların yarı ömürleri ve gama enerjileri verilmiştir. 15

29 Çizelge 1.1. Bazı radyoaktif izotopların yarı ömür ve enerjileri İzotoplar Yarı ömrü (yıl) Gama enerjisi (MeV) Kobalt ( 60 Co) 5, Sezyum ( 137 Cs) Evropyum ( 152 Eu) 13, Bizmut ( 207 Bi) 32,2 1,77 0,569 1,063 Baryum ( 133 Ba) 10,54 0,08 Radyoaktif izotoplar birçok alanda kullanılır. 60 Co tıbbı ve endüstriyel alanda radyasyon kaynağı olarak yaygın bir şekilde kullanılır. Tıbbi kullanımı ilk olarak kanser radyoterapi oluşturmaktadır. Ayrıca aletleri sterilize etmek mikrop öldürmek için ve gıda ışınlanmak, bozulmayı önlemek içinde kullanılır Lazer geri saçılma yöntemi Lazer (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) fotonları uyumlu bir huzme şeklinde oluşturan optik kaynak diye tanımlandırılır senesinde ABD de Theodore H. Maiman tarafından keşfedilmiş ve 1963 yılında da ilk gaz lazeri (helyum-neon) yapılmıştır. Daha sonralarda ise teknolojinin optik, elektronik, fizik ve kimya alanlarındaki gelişmelerine bağlı olarak çeşitli lazer türleri ortaya çıkmıştır. Şekil 1.9. Lazer ışığının temel prensibi Şekil 1.9. da olduğu gibi atomdaki bir elektron, iki enerji düzeyi arasında f frekanslı bir foton salarak ya da soğurarak geçiş yapar. E 1 alt enerji durumda bulunan elektron 16

30 E 2 E 1 enerjisine sahip bir fotonu soğurarak E 2 seviyesine çıkar. Ya da E 2 enerji seviyesinde bulunan bir elektron atomun kararlı hale gelebilmesi için E 2 E 1 enerjili bir foton salarak E 1 düzeyine iner. Kendiliğinden ve uyarılmış olmak üzere iki türlü yayılım vardır. Kendiliğinden yayılımda E 2 enerji seviyesinden bulunan elektron keyfi bir şekilde E 1 alt düzeye geçer uyarılmış yayılımda ise elektron E 2 E 1 enerjili foton tarafından tetiklenir. Taban durumundaki atomu foton göndererek soğurma olayını gerçekleştirdiğinde, uyarılmış durumdaki elektron sayısının taban durumundaki elektron sayısından fazla olması olayına nüfus terslenmesi ya da ters birikim denir. Lazer ışığını elde etmenin temel koşullarından biri nüfus terslenmesi olayının gerçekleşmesidir. Şekil Yüksek enerjili elektrondan fotonun geri yansıması Stanford Lineer Hızlandırıcı Merkezi (SLAC) demetindeki bir elektronun enerjisi ile lazer foton enerjisini kıyaslarsak, büyük bir eşitsizlik görülür. Elektronun enerjisi 50 MeV, buna karşılık fotonun enerjisi 1eV ya da 2 ev dur ve çarpışma Mack ın meşhur bir benzetmesi olan kamyonun ping pong topuyla çarpışması olayıyla tanımlanabilir. Şekil da görüldüğü gibi uygun şartlar sağlanırsa elektron tüm enerjisini foton aktarır ve bu olay compton veya foton geri saçılma olayıyla benzeşir. Lazer geri saçılması 1969 senesinde ilk kez Stanford lineer hızlandırıcı merkezinde yüksek enerjili fotonları ve gama ışınları elde etmek için kullanıldı. Gama ışınları etkileşimlerinin sıvı hidrojenle olduğu 82 inçlik Buble Chamber e doğru yöneltilip kaydedilerek çalışıldı. Yüksek enerji elektron foton çarpıştırıcısının önemli bir durumu da çarpışan demetlerin polarizasyonuna bağlılığıdır. 17

31 Şekil Lazer geri saçılması Şekil de görüldüğü gibi lazer elektronla çarpışır ve foton meydana gelir. Lazer fotonlardaki enerji yayılımı genelde çok küçüktür. Bazı lazerler kendilerine özgü enerjisinin serbest fotonuyla uyumludur. Lazer elektron etkileşiminin polarizasyon bağımlılığıyla kombinasyondaki bu özellik, SLAC lineer hızlandırıcısında kullanılan yüksek oranda başarılı polarizasyon kaynağını duruma getirmiştir (Melissinos, 2011) Parçacık yok olma yöntemi 1928 de İngiliz Fizikçi Dirac Schrödinger denklemi üzerinde çalışırken elektronlarla eşit kütleli, aynı spinli pozitif yüklü bir parçacığın da aynı denklemi sağlayacağı varsayımını ortaya attı. Bu varsayım Amerikalı deneyci Anderson tarafından 1932 yılında çift yaratılması olayını gözlenmesiyle gerçeklendi. Bu olay da yeterli enerjiye sahip bir foton, çekirdekle çarptığında elektron ve pozitron ve anti parçacığı oluşuyordu. Bu olayın terside çift yok olması olarak bilinir ve elektron ve pozitronun çarpışmasıyla foton elde edilmesi olayıdır. Şekil Parçacık yok olması Şekil de görüldüğü gibi pozitronla elektron yan yana geldiklerinde birlikte yok olup, durgun ve toplam kinetik enerjileri toplamıyla fotonlar oluşur. 18

32 Bremsstrahlung yöntemi Bremsstrahlung radyasyon frenlemesi veya yavaşlayan radyasyon anlamındadır. Yüklü bir parçacık madde içinden geçerken çekirdek alanının etkisi ile yavaşlayarak enerjisinin bir kısmını ya da tamamını (maddenin şekline ya da kalınlığına bağlı olarak) elektromanyetik radyasyon yayınlayarak kaybeder. Bu olaya bremsstrahlung, yayınlanan radyasyona da bremsstrahlung fotonu denir. Bu mekanizma şekil de verilmiştir (Lowenthal, 2001). Şekil Bremsstrahlung foton oluşumu Madde, sürekli bir elektron demetine maruz bırakıldığında oluşan bremsstrahlung fotonları da sürekli bir spektruma sahip olur. Bu bremsstrahlung fotonlarının enerjisi, sıfır ile gelen elektronun kinetik enerjisi aralığında bir değer alabilir. Maksimum foton enerjisi, gelen elektron demet enerjisinin %80 i kadardır. Oluşan bu bremsstrahlung fotonları şekil de görüldüğü üzere açısal bir dağılıma sahiptir ve bu dağılım konik bir şekildedir. Bremsstrahlung konisi adı verilen bu dağılım gelen elektron demetinin enerjisine bağlı olarak değişir ve oluşan bremsstrahlung foton enerjisinden bağımsızdır. Gelen fotonun enerjisi arttıkça oluşan fotonların açısal dağılımı azalacaktır (Carron, 2006). 19

33 mc 2 θ c = 2. (1.2) E + mc Şekil Bremsstrahlung fotonlarının açısal dağılımının şematik gösterimi Radyatörden üretilen bremsstrahlung fotonları şekil 1.15 de görüldüğü gibi doğrultucular (kolimatör) tarafından deney odasına taşınır ve sonra hedef üzerine odaklandırılır. Kolimatör kullanımı, demet spotunun daha iyi tanımlanmasını ve demet polarizasyonunu sağlar. Radyasyon güvenliği açısından kolimatör kalın ve yüksek konsantrasyonlu bir duvar içine hapsedilmelidir. Çekirdek reaksiyonları gerçekleştikten sonra kullanılan bu fotonlar deney hattı üzerinde depolanırlar. Foton demet depolayıcısı tasarlanırken radyasyon geri saçılma miktarının ve nötron üretiminden oluşan radyasyon miktarının azaltılmasına dikkat edilmelidir. Yapılan ön çalışmalar ile foton demet depolayıcıların sahip olması gereken temel geometrik dizayn parametreleri belirlenir ve bu çalışmalar için simülasyon işlemleri uygulanır. Foton depolama işlemi için gereken simülasyon çalışmalarında sisteme tanıtılan temel parametreler; gelen ışın demetinin şiddeti, gelen parçacığın cinsi, foton depolayıcılarda kullanılan soğurucu maddenin cinsi, foton depolayıcılarda kullanılan soğurucu maddenin kalınlığı, foton depolayıcıların içerisindeki ortamın cinsidir (hava, vakum v.b). Foton depolayıcılarının optimizasyon işlemleri yapılırken simülasyon işlemleriyle elde edilmesi gereken başlıca sonuçlar, depolayıcılarda kullanılması planlanan materyallere ait temel özellikleri belirler (Akkurt vd, 2010). 20

34 Şekil Bremsstrahlung deney şeması Fizikte, bremsstrahlung fotonlarla önemli çalışmalar yapılabilmektedir. Çekirdek reaksiyonlarında kullanılacak olan hızlı parçacık nükleer maddeye zarar verir ve bu sebeple oldukça önemlidir. Aynı zamanda çekirdek üzerine gönderilen hızlı parçacıklarla çekirdeklerin etkileşim mekanizmalarının bilinmesi de çok önemlidir. Kuantum elektrodimanik teorisi fotonun neden olduğu elektromanyetik etkileşmeyi açıklayabilmektedir (Akkurt vd, 2010) Türk Hızlandırıcı Merkezi ve Bremsstrahlung Merkezi Ülkemizde medikal linak ve küçük ölçekli siklotronlar teşhis ve tedavi amaçlı kullanmak amaçlı mevcuttur fakat parçacık hızlandırıcılarının Ar-Ge (Araştırma ve Geliştirme) amaçlı kullanıldığı bir tesis mevcut değildir. Ankara Üniversitesi koordinatörlüğünde yürütülen DPT (Devlet Planlama Teşkilatı)-YUUP (Yaygınlaştırılmış Ulusal ve Uluslararası Projeler) projesi ile Türk Hızlandırıcı Merkezi adıyla ülkemizde hızlandırıcıya dayalı Ar-Ge amaçlı ilk tesisin hayata geçirilmesi planlanmıştır yılları arasında Türk Hızlandırıcı Merkezinin fizibilite ve içerik tasarımı çalışmaları tamamlanmıştır. Kurulacak laboratuarda malzeme bilimi, biyoteknoloji, nanoteknoloji, tıp, kimya, biyoloji, ziraat, iletişim alanlarında araştırmaların deney istasyonlarında yapılması mümkün olacaktır. Aynı zamanda bu proje ile hızlandırıcı teknolojileri ve uygulamaları alanlarında yetişmiş insan gücü eksiğini kapatmaya yönelik eğitim verecek bir Hızlandırıcı Teknolojileri Enstitüsü de kurulmuştur. 21

35 Türk hızlandırıcı merkezi Ülkemizde özellikle Ar-Ge çalışmalarındaki ihtiyacından dolayı Ar-Ge alt yapımızı gelişmiş ülkeler düzeyine çıkarmak ve hızlandırıcı teknolojisini ülkemize kazandırmak amacı ile geliştirilen Türk Hızlandırıcı Merkezi Projesi için fizibilite amacıyla yazılan bir projenin DPT ye sunulması ile ilk adım atılmıştır. Bu projenin amacı ülkemizin hızlandırıcı teknolojileri ile tanışmasını ve dolayısıyla hızlandırıcılara dayalı Ar-Ge faaliyetlerini yürütebilir hale gelmesini sağlamaktır. Günümüzde mikro ve nano dünyayı anlamanın neredeyse tek yolu yeterli enerjiye sahip temel parçacık demetleri ile doğrudan veya dolaylı olarak bu detayların değişik yöntemlerle incelenmesidir. Ülkemizi temel ve uygulamalı bilimlerde hızlandırıcıya dayalı araştırma ve geliştirme çalışmalarını yapabilir hale getirecek olan Türk Hızlandırıcı Merkezi projesinin ilk tesisinin bina şeması şekil da gösterilmektedir. Proje koordinatörlüğü yapan Ankara Üniversitesi, hızlandırıcı teknolojileri ve uygulamaları konusunda ortak çalışmalar yürütmek üzere dünyanın ve Avrupa' nın önde gelen hızlandırıcı merkezlerinden olan Avrupa Nükleer Araştırma Merkezi (CERN), Alman Elektron Sinkrotronu (DESY), Dresden Ulusal Araştırma Merkezi (FZD), Berlin Sinkrotron Işınımı Enstitüsü (BESSY) ile bilimsel işbirliği anlaşmaları imzalamıştır. 22

36 Şekil Türk hızlandırıcı merkezi bina iç planlaması (THM, 2011) YUUP projesi kapsamında kurulacak ilk tesis bir IR SEL laboratuarı olacaktır. Türk Hızlandırıcı Merkezinin Test Laboratuarı olarak düşünülen IR SEL tesisi; MeV enerjili elektron demeti, iki salındırıcı ve iki optik ayna sisteminden meydana gelmektedir. IR SEL laboratuarında mikron dalga boyu aralığında SEL (serbest elektron lazeri) üretimi planlanmaktadır. IR SEL laboratuarında foton diyagnostiği amacıyla kullanılacak olan 8 adet deney istasyonu yer alacaktır ve bu deney istasyonları modern cihazlar ile donatılacaktır. Türk Hızlandırıcı Merkezinde yüksek enerjili elektron, pozitron ve proton demetlerinin temel ve uygulamalı bilimlerde Ar-Ge çalışmalarını olanak sağlayacak GeV enerjili parçacık hızlandırıcıları ve bunlara dayalı (SI & SEL) ışınım kaynakları bulunacaktır. Buda ülkemizde çok ileri düzeyde araştırma ve geliştirme çalışmalarını yapmayı mümkün hale getirecek katma değeri yüksek ürünlerin üretiminin önünü açacaktır. Türk Hızlandırıcı Merkezi tamamlandığında dünya ölçeğinde bir araştırma ve uygulama merkezi haline gelecektir ve CERN e üyelik sürecinde ilgili teknolojilerin transferine ve uygulamalarına ev sahipliği yapacaktır. 23

37 Bremsstrahlung tesisi Türk Hızlandırıcı Merkezi Test laboratuarları Ankara nın Gölbaşı ilçesinde Ankara Üniversitesine ait olan arazi üzerinde yapım aşamasındadır. Proje kapsamında çeşitli teknik komiteler ve çalışma alanları belirlenmiş teknik komiteden bir tanesi de bremsstrahlung teknik komitesidir. Şekil TARLA şematik gösterimi (Ankara Üniversitesi, 2010) Bremsstralung deney bölgesinin bina içi yerleşimi, Türk Hızlandırıcı Merkezinin bina içi planlamasında, SEL üretim alanına paralel olarak planlanmıştır. Bunun nedeni bremsstrahlung deney hattında yapılacak olan çalışmalar için gerekli elektron demetlerinin şekil de görüldüğü üzere linac tan döndürülerek bremsstrahlung deney alanına yönlendirilecek olmasıdır. Linaklar dan MeV enerjili elektron demeti ayrılması ve bremsstrahlung deney bölgesine gönderilmesi önemlidir. Elektronların bu yön değişimi magnetler tarafından sağlanır. Dipol magnetler ile elektron demetinin yönü bremsstrahlung deney bölgesine yönlendirilir ve kuadropol magnetler ile elektron demet radyatöre odaklanır. Bu şekilde radyatör üzerine gönderilen elektron demeti ile bremsstrahlung fotonları elde edilir (Akkurt vd, 2010). 24

38 2. KAYNAK ÖZETLERİ Dünyadaki pek çok hızlandırıcı merkezlerinde bremsstrahlung tesisine rastlamak mümkündür. Hızlandırıcıların tiplerine ve demet parametrelerine bağlı olarak farklı enerji bölgelerinde bremsstrahlung fotonları üretilmektedir. Aşağıda bu çalışmanın da amacı olan radyatör tasarımları ile ilgili olarak çeşitli merkezlerden örnekler verilmiş ve bu alandaki çalışmalarla ilgili makaleler sunulmuştur. Rollet (2001) tarafından yapılan çalışmada FLUKA kodu kullanılarak Ignitör deneyinde üretilen yüksek akılı füzyon nötronların en fazla maruz kalan bileşenlerinde ciddi hasara neden olabileceği için FLUKA kodu ile bu bileşenler üzerinde depo edilen enerji birikimi hesaplanmıştır. Şekil 2.1. FLUKA kodu ile hesaplanan enerji birikimi (Rollet, 2001) FLUKA kodunda basitleştirilmiş Z ekseni boyunca silindirik bir geometri kullanılmıştır. Farklı enerjili nötronlar 2 cm yarıçapındaki düz bir kaynaktan ve Z ekseni boyunca bir ileri yönde yayılmıştır. Nötronlar, 10 cm uzunluğunda ve 10 cm yarıçapında bir silindir hedefle çarpıştırılmıştır. Hedef malzemeler Ignitör ün ilk duvar bileşenleri için molibden, grafit ve bakır olarak kullanılmıştır. FLUKA ile 25

39 hesaplanan molibden içinde toplam enerji birikimi (GeV/cm 3 ) şekil 2.1. de gösterilmiştir. Lambert vd. (1983) tarafından yapılan çalışmada 25 MeV enerjili elektronlar tarafından üretilen fotonların enerji spekturumları radyatör kalınlığına ve emisyon açısına bağlı etkileri incelenmiştir. Gelen elektron demetine bağlı olarak üç farklı kalınlıktaki Ta radyatörde oluşan bremsstrahlung enerji spektrumları dört farklı açı değerinde hesaplandı. Radyatörler 1/8, 1/2 ve 1 radyasyon uzunluğu kalınlığındadır. Gözlemler 0⁰ 1,7⁰ 3,4⁰ ve 5,1⁰ de yapılmıştır. Oluşan maksimum bremsstrahlung fotonlarının ileri yöndeki akısının yaklaşık %10 u 5,1⁰ de oluşmuştur. Fotonların ortalama açısal dağılımı neredeyse tüm radyatörler için aynıdır. Kellie vd. (2005) tarafından yapılan çalışmada ince elmas kristalinden saçılan bremsstrahlung fotonları fotonükleer deneylerde yüksek enerjili foton kaynağı olarak kullanışlılık sağlamaktadır. Çünkü üretilen koherent bremsstrahlung lineer polarizelidir. En uygun elmasların seçimi için teknikler incelenmiştir. Bunlar optik polaroid analizi, X ışını topografisidir. Elmasların bir radyatör olarak performanslarını belirlemek amacıyla özellikleri tespit edilmiştir. Mainz MAMI-B tesisinde kullanılan bir elmas radyatörden alınan bremsstrahlung spektrumları sunulmuştur. Elmas kristalinde yüksek enerjili elektronlarının neden olduğu değişiklikler ve çıkan bremsstrahlung spektrumu tartışılmıştır. Demet enerjisinden bağımsız olarak bir kristal radyatör için optimum kalınlık 40µm olduğu belirtilmiştir. Schwengner vd. (2005) tarafından yapılan çalışmada süper iletken hızlandırıcısı ELBE (Electron linac for beams with high brilliance and low Emittance) de polarize bremmsstrahlung üretimi için gerekli parametreler simülasyon çalışmalarıyla belirlenmiştir. Farchungszentrum Rossendorf daki bremsstrahlung tesisininde kurulum geri saçılan fotonlardan dolayı oluşacak fon radyasyonunu ve nötron üretimini en az seviyeye indirgemeye yönelik olarak tasarlanmıştır. ELBE hızlandırıcısıyla yaklaşık 20 MeV enerjili ve ortalama 1 ma lik bir elektron demeti ile uyarılmış foton reaksiyonları yapılarak yeni deneylere olanak sağlar. 26

40 Bu tesiste elektron demeti 22.5⁰ lik iki dipol magnet ve bir kuadropol magnet tarafından ana demet hattına bükülür. Sonraki bir kuadropol magnet ile elektron demeti radyatör üzerine odaklanır ve burada bremsstrahlung fotonu üretilir. Maksimum seviyede bremsstrahlung fotonu elde etmek ve küçük açılı saçılmalar elde edilmek istenmesinden dolayı bu çalışmada radyatör metaryali olarak yüksek erime noktasına (2468 ⁰C) sahip olan Nb seçilmiştir. Ortalama 600 ma akım ve 12 MeV enerjili bir elektron demeti 3.5 mg/cm 2 kalınlıklı Nb radyatörü ile etkileştiğinde yerel sıcaklık yaklaşık 1200 ⁰C ye ulaşır. Bu çalışmada foton akısı GEANT4 paket programı ile hesaplanmıştır. Radyatör kalınlığı ve elektron demeti ile oluşan fotonun yönü arasındaki açının bir fonksiyonu şeklinde şekil 2.1. ve şekil 2.2. de verilmiştir. Şekil 2.2. Nb radiator kalınlığına bağlı olarak 5mrad açıda 12 MeV enerjili 10 9 adet elektron tarafından üretilen foton akısı (Schwengner vd., 2005) 27

41 Şekil 2.3. Farklı kalınlıklı Nb radyatör için elektron demeti ve oluşan foton demeti arasındaki açıya bağlı olarak üretilen foton sayısı (Schwengner vd., 2005) 5 mrad açıda oluşan foton akısı radyatör kalınlığına bağlı olarak artmıştır fakat kalınlık 50 mg/cm 2 de doyuma ulaşmıştır. Yani kalın radyatörlerde daha fazla foton üretilmesine rağmen fotonların giderek artan saçılma açısından dolayı çoğu 5 mrad lık açıyı geçemez. Bu yüzden çok kalın radyatörlerin kullanılmasının bir avantajının olmadığı bu çalışma ile belirlenmiştir. Shanker (2006) tarafından Banaras Hindu Üniversitesi Atomik fizik laboratuarında yapılan araştırmada, son deneysel araştırmalar kalın katı ve ince gaz halindeki hedefler ile 2-30 kev enerjili elektronların etkisinden üretilen bremsstrahlung incelenmiştir. Bremssrahlung fotonların enerji ve açısal dağılımları açıklayan teorik modeller, deneysel verileri açıklamak için formüller incelenmiştir. Livingston (2009) tarafından Glasgow Üniversitesi Astronomi ve fizik bölümde yapılan çalışmada, elektron demeti tesisinde koherent bremsstrahlung saçılma yoluyla yüksek enerjili doğrusal polarizeli fotonlar üretmek için kullanılan kristal radyatörlerin uyumuna yönelik bir teknik anlatılmaktadır. Koherent bremsstrahlung tekniğinde elektron demetine odaklı yerleştirilen ince bir kristalde yüksek dereceli lineer polarizasyon ile fotonlar elde edilebilir. Bu deneylerde elektron demetine göre yönelimi ayarlamak için kullanılan bir gonyometre kristalin üzerine takılmıştır. Kristal kafese bağlı olan açılar ve denklemler, gonyometre ve elektron demetinin 28

42 yönü burada sunulmuştur.mami (the Mainz microtron) den alınan veriler ile uyumlu bir metot gösterilmiştir. Bir bremsstrahlung tesisi kurmak için pratik bir kılavuzdur ve bu teknik kullanılarak yeni kristallerin dahil edilmiştir. Yeni bir koherent bremsstrahlung tesisi kurmak ve yeni kristallerin kullanımı için bu teknik te dahil edilmiştir.bu teknik şuan MAMI, ELSA ve MAX Lab gibi dünyanın birçok ana koherent bremsstrahlung tesisinde standart bir model olarak kullanılmaktadır. 29

43 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1. Materyal Radyatör, bir bremsstrahlung foton tesisinde elektron demetinin ilk geliş noktasında kurulan düzenekle elektronların yavaşlatılması ve fotonların elde edildiği en önemli donanımların başında gelmektedir Radyatör Materyalleri ve Özellikleri Belirli bir enerji değerine ulaşmış elektron demeti radyatör üzerine yönlendirilerek bremsstrahlung fotonlarının oluşturulması esnasında kullanılan radyatör donanımını için metal seçiminde bu metallerin bazı özellikleri dikkate alınır. Seçilecek malzemenin cinsi, kalınlığı, dizaynı elde edilecek fotonları etkileyecektir. Radyatör metalinin seçiminde, maksimum bremsstrahlung foton üretmek, radyatör metalindeki açısal dağılımları minimize etmek, optimum sıcaklık dağılımı elde etmek gibi kriterler göz önüne alınır. Şekil 3.1. de Farchungszentrum Rossendorf daki bremsstrahlung tesisininde bulunan radyatör gösterilmektedir. Şekil 3.1. Radyatör (HZDR, 2011) 30

44 Radyatör için kullanılacak olan metallerden ne kadar foton demeti elde edilebilir ya da en fazla foton demetini nasıl elde edileceği ve radyatörün yapısında kullanılan metallerin cinsinin, kalınlığının ne derece etkili olacağı belirlenecektir. Bremsstrahlung fotonlarının oluşturmak için kullanılacak bazı metaller alüminyum, bakır, niyobyum, tantal dır. Çizelge 3.2. de bu metallerin atom numaraları, radyasyon uzunlukları, erime noktaları verilmiştir. Çizelge 3.2. Radyatör metallerinin özellikleri Metal Z Radyasyon uzunluğu (X 0 /cm 2 ) Erime noktası ( 0 C) Erime noktası ( 0 K) Ta (Tantal) Nb (Niyobyum) Al (Alüminyum) Cu (Bakır) Yöntem Bu tezde bremsstrahlung foton ışınımı elde etmek için en önemli donanımlardan biri olan radyatörün parametreleri simülasyon çalışmalarıyla belirlenmiştir. Bu amaçla FLUKA kodu kullanılmıştır Fluka Kodu FLUKA kodu, 1962 yılında hadron demetleri için Ranft ve Geibel tarafından geliştirilmeye başladı. FLUKA adı (fluktuation kaskade) sekiz yıl sonra geldi ve o zamandan beri kod esas olarak kalorimetre içinde dalgalanma olaylarıyla ilgili uygulamalar için kullanıldı. Kodun 1970 ve 1987 yılları arasındaki gelişmesi Helsinki ve Leipzig grupları ve CERN arasında bir işbirliği çerçevesinde yürütüldü. Bu sürümü shielding (koruma) hesaplama için esas oldu. 31

45 FLUKA, INFN (National Institute of Nuclear Physics) de 1989 yılından beri Fasso (CERN) ve Ranft ın ortak çalışmalarıyla geliştiriliyor. Temel hedeflerden biri birçok amaçlı yeni fizik modelleri ile genel kod geliştirmektir ve şuanda 1987 sürümü çok az kalmıştır yılında MCNPX resmi olarak yüksek enerji bölümü için FLUKA kullanılmaya başlandı de FLUKA (sadece hadronik kısım için) GEANT 3 arayüz oldu. Bu arayüz sonraki FLUKA gelişmeleri takip etmediği için artık kullanılmamaktadır yılından bu yana FLUKA kodunun daha iyi bir yayılma sağlama amacı ile bir INFN projesidir. INFN projesi CERN ve Hauston Üniversitesiyle beraber sıkı bir iş birliğiyle sürdürülmektedir (Fassò vd., 2011). FLUKA, parçacık ve radyasyon transportu için hesaplamaları ve madde ile etkileşimleri kapsayan genel amaçlı bir Monte Carlo simülasyon programıdır. Proton ve elektron hızlandırıcısı için hedef dizaynından, dedektör tasarımı, dozimetri, aktivasyon, radyasyon hasarı, kozmik ışınlar, nötrino fiziği, radyoterapi gibi bir çok alanda kullanılabilir. FLUKA ile hadron inelastik çekirdek etkileşmeleri, elastik saçılma, çekirdek-çekirdek etkileşmeleri, yüklü hadron ve müonların transportu, düşük enerjili nötronlar, (20 MeV den daha düşük enerjili nötronlar için FLUKA kendi nötron tesir kesidi kütüphanesini kullanır), elektronların yaptığı etkileşmeler, fotonlar, optik fotonlar ve nötrinolar için etkileşmeler incelenebilir. FLUKA yaklaşık 60 farklı parçacığın madde içinde yönelimini ve yüksek doğrulukta etkileşimlerini simüle edebilir ve foton ve elektronlar için 1 kev enerjiden TeV seviyelerine kadar birçok değişik parçacık için kullanılabilir. Çizelge 3.1. de bu parçacıklar için daha ayrıntılı bir şekilde enerji limitleri görülmektedir. 32

46 Çizelge 3.1. FLUKA kodundaki parçacıkların taşınma enerji limitleri (Fassò vd., 2011) Parçaciklar Transport limitleri Birincil parçacıklar için limitler Yüklü hadronlar 1 kev - 20 TeV 100 kev - 20 TeV Nötronlar Thermal - 20 TeV Thermal - 20 TeV Antinötronlar 50 MeV - 20 TeV 100 MeV - 20 TeV Müonlar 1 kev TeV 100 kev TeV Elektronlar 1 kev 1000 TeV 70 kev TeV (düşük-z) 150 kev TeV (yüksek-z) Fotonlar 1 kev 1000 TeV 7 kev TeV FLUKA çok karışık geometrileri bile, bilinen kombinasyonel geometri paketinin (CG) geliştirilmiş bir versiyonunu kullanarak işleyebilir. FLUKA geometri paketi aynı zamanda yüklü parçaçıkları doğru bir şekilde izlemek için tasarlanmıştır. (elektrik ve manyetik alanın varlığında bile) çeşitli görüntüleme ve hata ayıklama araçları da mevcuttur. FLUKA da genel olarak bir problemi tanımlamak için ilk aşamada radyasyon kaynağı, demet parametreleri, sistemin geometrisi ve kullanılan materyaller belirlenmeli ve istenilen sonuçlar tanımlanmalıdır (Ferrari vd., 2010) Geometrinin Kurulması FLUKA da bir problemi tanımlamak için tanımlamamız gereken komutlardan biri geometridir. FLUKA kodu çok karmaşık geometrileri bile dizayn edilebilir. Bremsstrahlung tesisinde elde edilecek fotonların enerjisini en yüksek değerde ve saçılmalarını en az olmasını istiyorsak geometrinin en uygun şekilde tasarlanması gerekir. Radyatörün hangi geometride hangi boyutlarda kurulacağı önemlidir ve şekil 3.2. de FLUKA programında dizayn edilen bir geometri verilmiştir. 33

47 Şekil 3.2. FLUKA programı ile tanımlanan geometrinin gösterimi Geometriyi tasarlamak için öncelikle belirli bir blackhole (uzay) seçilir ve bunun içerisinde tanımlayacağımız problem için gerekli alanının ortamı ve boyutları belirlenir. Daha sonra bu ortam içersine bremsstrahlung foton elde etmek için gerekli olan donanımlar ve bunların parametreleri belirlenir ve elde etmek istediğimiz sonuçlar için gerekli komutlar tanımlanarak sonuçlar elde edilir. FLUKA da cm lik boyutlarda seçilen küp şeklindeki blackhole içersine 20 cm boyutlarında yine küp şeklinde bir hava ortamı seçildi. Daha sonra bu alanın içerisine z ekseni boyunca farklı enerji değerlerinde hızlandırılmış elektron demeti tanımlandı. Bremsstrahlung fotonlarının oluşacağı en önemli donanımlardan biri olan radyatör ise disk geometri olarak farklı yarıçaplarda, kalınlıklarda ve farklı metaller olarak FLUKA programında tanımlandı. 34

48 4. ARAŞTIRMA BULGULARI 4.1. Bremsstrahlung Foton Akısı Bremsstrahlung tesisinde özellikle nükleer araştırmalar için tasarlanacak olan deneyler, üretilen bremsstrahlung fotonlarının enerjisine ve akısına önemli ölçüde bağlıdır. Yüksek enerjili fotonlar ile çekirdek durumları uyarılabilir. Bu uyarılma mekanizmalarını incelemek için yüksek foton akısına ve sürekli spektruma ihtiyaç vardır. Foton akısı, kullanılan radyatör metalinin cinsine ve kalınlığına bağlı olarak değişir (Schwengner vd., 2005). Bu nedenle, dört farklı radyatör metali (Al, Cu, Nb, Ta) için farklı kalınlıklarda foton akıları, FLUKA simülasyon kodu kullanılarak hesaplanmıştır. Burada hesaplanan foton akısı radyatörün birim yüzeyinden çıkan toplam foton sayısına karşılık gelmektedir. Simülasyon hesaplamalarında radyasyon kaynağı olarak 40 MeV enerjili 10 7 adet elektrondan oluşan demet seçilmiştir. 0.8 cm yarıçaplı disk geometrili radyatör kullanılmıştır. Elde edilen foton akı dağılımları şekil 4.1., şekil 4.2., şekil 4.3. ve şekil 4.4. te verilmiştir. Şekil MeV elektron demeti için 4 μm kalınlıklı (Al,Cu,Nb,Ta) radyatörlerde oluşan foton akısı 35

49 Şekil MeV elektron demeti için 10 μm kalınlıklı (Al,Cu,Nb,Ta) radyatörlerde oluşan foton akısı Şekil MeV elektron demeti için 30 μm kalınlıklı (Al,Cu,Nb,Ta) radyatörlerde oluşan foton akısı 36

50 Şekil MeV elektron demeti için 50 μm kalınlıklı (Al,Cu,Nb,Ta) radyatörlerde oluşan foton akısı Grafiklerde görüldüğü üzere Ta metali en yüksek foton akısına sahiptir. Nb ve Cu radyatörlerde oluşan foton akıları birbirine çok yakındır fakat Cu nun erime noktası diğer metallere nazaran daha düşüktür (Bkz. Çizelge 3.2.). Bu nedenle Nb ile kıyaslandığında pek tercih edilmez. Bundan başka foton akısının radyatör yarıçapına bağlılığı incelenmiştir. Dört farklı yarıçap (0.8, 1, 1.2, 1.4 cm) değerlerinde Ta ve Nb disk radyatörler için foton akıları FLUKA simülasyon kodu ile hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar şekil 4.5. ve şekil 4.6. da verilmiştir. 37

51 Şekil MeV elektron demeti için 4μm kalınlığındaki Ta radyatöründe farklı yarıçaplarda (0.8, 1, 1.2, 1.4 cm) oluşan foton akısı Şekil MeV elektron demeti için 12μm kalınlığındaki Nb radyatöründe farklı yarıçaplarda (0.8, 1, 1.2, 1.4 cm) oluşan foton akısı Sonuç olarak foton akısının radyatör yarıçapından bağımsız olduğu görülmüştür. Ta ve Nb disk radyatörleri için farklı kalınlıklarda oluşan foton akıları hesaplanmıştır ve şekil 4.7. ve şekil 4.8. de verilmiştir. 38

52 Şekil MeV elektron demeti için 0.8 cm yarıçaplı farklı kalınlıklardaki (4 μm, 12 μm, 20 μm) Ta radyatöründe oluşan foton akısı Şekil MeV elektron demeti için 0.8 cm yarıçaplı farklı kalınlıklardaki (4 μm, 12 μm, 20 μm) Nb radyatöründe oluşan foton akısı Görüldüğü üzere metalin kalınlığı arttıkça doğal olarak foton akısı da artmaktadır. Ancak 25 MeV ve 40 MeV enerjili elektron demeti için sabit yarıçaplı (0.8 cm) radyatörlerden elde edilen foton sayılarının radyatör kalınlıklarınna bağlı grafikleri şekil 4.9. ve da verilmiştir. Burada görüldüğü gibi belli bir kalınlıktan sonra 39

53 foton sayısı hemen hemen sabit kalmaktadır. O halde yüksek foton akısı elde etmek için kalın radyatör kullanmanın bir avantajı yoktur. Şekil MeV enerjili elektron demeti için kalınlığa bağlı foton sayısı Şekil MeV enerjili elektron demeti için kalınlığa bağlı foton sayısı Şekil ve şekil deki simülasyon hesaplarında radyasyon kaynağı olarak 10 MeV, 25 MeV ve 40 MeV enerjili 10 7 adet elektrondan oluşan demetler seçilmiştir. 0.8 cm yarıçaplı disk geometrili Na, Ta radyatörler kullanılmış ve elde edilen foton akı dağılımları verilmiştir. Elektron demet enerjisi arttıkça daha geniş sürekli bremsstrahlung foton spektrumu elde edilir. 40

54 Şekil μm kalınlığındaki Ta radyatörlerde oluşan foton akısı Şekil μm kalınlığındaki Nb radyatörlerde oluşan foton akısı Bremsstrahlung tesisinde radyatör tasarımında foton akısının yanında fotonların açısal dağılımlarını da dikkate almak gerekir. Bunun için 40 MeV enerjili elektron demetinden 0.8 cm yarıçaplı ve 50 μm kalınlığındaki radyatörlerden üretilen fotonların açısal dağılımları hesaplanmıştır. 41

55 Şekil MeV elektron demeti için farklı radyatörlerde 5 mrad açıya saçılan foton akısı Şekil MeV elektron demeti için farklı radyarörlerde 10 mrad açıya saçılan foton akısı Şekil ve şekil te gelen elektron demeti ile oluşan foton demeti arasındaki açının 5 mrad ve 10 mrad olduğu durumlardaki foton akıları gösterilmiştir. Küçük açıya saçılan en yüksek foton akısı Ta radyatöründedir. 42

56 Şekil MeV elektron demeti için 4 μm kalınlıklı farklı radyatörlerde oluşan fotonların açısal dağılımları Şekil MeV elektron demeti için 12 μm kalınlıklı farklı radyatörlerde oluşan fotonların açısal dağılımları Şekil ve şekil da 40 MeV enerjili elektron demeti, 0.8 cm yarıçaplı 4 μm ve 12 μm kalınlığındaki Al, Cu, Nb, Ta radyatörler ile olşan fotonların saçılma açısına bağlı değişimleri verilmiştir. Açı değeri arttıkça foton sayısının azaldığı ve küçük açılarda oluşan en yüksek foton akısının Ta radyatöründe olduğu görülmüştür. Bundan başka sadece Ta ve Nb radyatörler için farklı kalınlıklarda üretilen fotonların açısal dağılımları incelenmiş ve şekil ve şekil de verilmiştir. 43

57 Şekil MeV elektron demeti için farklı kalınlıklı Ta radyatöründe oluşan fotonların açısal dağılımı Şekil MeV elektron demeti için farklı kalınlıklı Nb radyatöründe oluşan fotonların açısal dağılımı Radyatörün kalınlığı arttıkça oluşan foton sayısı da artmıştır fakat oluşan bremsstrahlung fotonlarının açısal dağılımı arttığı için kalın radyatörleri tercih etmek avantajlı değildir. Şekil 4.19., şekil 4.20., şekil ve şekil de 40 MeV enerjili elektron demetinden 0.8 cm yarıçaplı farklı kalınlıklı Al, Cu, Nb, Ta radyatörlerinden üretilen fotonların iki boyutlu çizimleri verilmiştir. Fotonların oluşumunda açısal dağılımın bremsstrahlung konisi şeklinde olduğu çizimlerde görülmektedir. 44

58 Şekil MeV elektron demeti için 25 μm kalınlıklı Al radyatöründen oluşan fotonlarının açısal dağılımı Şekil MeV elektron demeti için 16 μm kalınlıklı Cu radyatöründen oluşan fotonlarının açısal dağılımı 45

59 Şekil MeV elektron demeti için 12 μm kalınlıklı Nb radyatöründen oluşan fotonlarının açısal dağılımı Şekil MeV elektron demeti için 4 μm kalınlıklı Ta radyatöründen oluşan fotonlarının açısal dağılımı 4.2. Radyatörün Üzerinde Depo Edilen Enerji Şekil 4.23., şekil 4.24., şekil 4.25., ve şekil da 40 MeV enerjili 10 7 adet elektrondan oluşan demet kullanılmıştır ve 0.8 cm yarıçapa sahip farklı kalınlıklı radyatörler üzerinde depolanan enerjiler gösterilmiştir. 46

60 Şekil MeV elektron demeti için 12μm kalınlıklardaki Nb radyatörde depolanan enerji Şekil MeV elektron demeti için 50μm kalınlıklardaki Nb radyatörde depolanan enerji 47

61 Şekil MeV elektron demeti için 4μm kalınlıklardaki Ta radyatörde depolanan enerji Şekil MeV elektron demeti için 50μm kalınlıklardaki Ta radyatörde depolanan enerji Çizimlerde radyatörün kalınlığı arttıkça üzerinde depolanan enerjininde arttığı görülmektedir. 48

62 Şekil MeV enerjili elekton demeti için 0.8 cm yarıçaplı radyatörlerde depolanan enerjinin radyatörün kalınlığına bağlı değişimi Şekil MeV enerjili elekton demeti için 0.8 cm yarıçaplı radyatörlerde depolanan enerjinin radyatörün kalınlığına bağlı değişimi Şekil ve şekil de 25 MeV ve 40 MeV enerjili elektron demetleri ile 0.8 cm yarıçaplı Al, Cu, Nb, Ta radyatörleri etkileştiğinde radyatörün üzerinde depo edilen enerji radyatörün kalınlığına bağlı olarak arttığı görülmektedir. 49

63 5. TARTIŞMA ve SONUÇ Dünyadaki pek çok hızlandırıcı merkezlerinde bremsstrahlung tesisi bulunmakta ve bu tesislerde hızlandırıcıların tiplerine ve demet parametrelerine bağlı olarak bremsstrahlung fotonları üretilmektedir. Ülkemizde de kurulum aşamasında olan Türk Hızlandırıcı Merkezinin bremsstrahlung tesisi için bremsstrahlung fotonlarının üretildiği radyatör önemli bir donanımdır. Deneylerde kullanılacak olan elektron demetin enerjisi fotonların üretildiği radyatörün cinsi, kalınlığı, geometrisi üretilecek fotonlarının akısını etkileyecektir. Bu amaçla Bremsstrahlung Foton Işınımı için Radyatör Parametrelerinin Belirlenmesi isimli tez çalışmasında disk geometrili, farklı kalınlıklarda ve 4 farklı metalde oluşan foton akıları hesaplanmıştır. En yüksek foton akısı Ta radyatöründe elde edilmiştir. Bremsstrahlung tesisinde radyatörden üretilen fotonlar, kolimatör yardımı ile deney bölgesine aktarılır. Burada fotonların küçük açıya saçılmaları önem kazanmaktadır. Bu amaçla küçük açıya saçılan bremsstrahlung foton akıları, dört farklı radyatör metali için hesaplanmıştır. Aynı zamanda farklı radyatör kalınlıkları için fotonların açısal dağılımları incelenmiş ve radyatörün kalınlığı arttıkça geniş açılara saçılan foton sayısının da arttığı gözlenmiştir. Sonuç olarak kalınlığın artması ile, üretilen bremsstrahlung fotonlarının sayısı artarken geniş açılara saçılma olasılığı da artar. Bu durum, deney istasyonuna aktarılan foton akısını düşürür. Verimli deney çalışmaları yapabilmek için yüksek foton akısına ihtiyaç vardır. Böylece radyatör kalınlığını mümkün olduğu kadar minimumda tutmak önem kazanır. Yapılan FLUKA simülasyon sonuçlarına bağlı olarak Ta için optimum kalınlık 4 μm, Nb için optimum kalınlık 12 μm olarak tespit edilmiştir. Radyatör tasarımında, sürekli radyasyonun metal üzerindeki etkisi de göz önünde tutulmalıdır. Radyatör, deney sırasında sürekli ve yüksek enerjili elektron demetine maruz kaldığı için belli bir süre sonra ısınarak erime noktası sınırını aşabilir. Bunu önlemek için pek çok benzeri bremsstrahlung tesislerinde olduğu gibi su soğutma sistemleri kullanılır. Bu çalışmada radyatörün soğutma sisteminin yapılandırılmasına ilk adım olarak radyatör üzerinde depo edilen enerjiler hesaplanmıştır. Yapılan 50

64 hesaplamaların sonucunda doğal olarak radyatörün kalınlığı arttıkça üzerinde depo edilen enerji de artmaktadır. Ta metalinin erime noktası diğerlerinden daha yüksek olduğu için Ta radyatörünün yüksek radyasyonda hasar görmesi açısından da en avantajlı metal olduğunu gösterir. Sonuç olarak bu çalışmada 0.8 cm yarıçaplı disk geometriye sahip Ta metalinden yapılmış radyatörden 5 mrad açıdaki saçılmayla en yüksek foton akısına sahip foton demeti elde edilebileceği görülmüştür. 51

65 6. KAYNAKLAR Akkurt, İ., Tekin, H. O., Demirci, Z. N., Demir, N., Yegin, G., TARLA da Bremsstrahlung Foton Deney Hattı.Adım Fizik Günleri Afyon. Apaydın, F., Kuantum Fiziği. Ankara, Hacettepe Üniversitesi Hastaneleri, ISBN , 478, Ankara. Carron, N. J., An Introduction to the Passage of Energetic Particles through Matter, USA, CRC Press, ISBN , 362, USA. Fassò, A., Ferrari, A., Roesler, S., Ranft, J., Sala, P. R., Battistoni, G., Campanella, M., Cerutti, F., De Biaggi, L., Gadioli, E., Garzelli, M. V., Ballarini,F., Ottolenghi, A., Scannicchio,D., Carboni, M., Pelliccioni, M., Villari, R., Andersen, V., Empl, A., Lee, K., Pinsky, L., Wilson, T. N., Zapp, N., The FLUKA code: present applications and future developments. İnternet sitesi: Erişim tarihi: Fermilab Linac Fermi National Accelerator Laboratory. Erişim tarihi: Ferrari, A., Sala, P. R., Fasso, A., Ranft, J., FLUKA: a multi-particle transport code. İnternet sitesi: Erişim tarihi: HZDR Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf. Erişim tarihi: Karaoğlu, B., Kuantum Mekaniğine Giriş. Ankara, Sözkeseken, ISBN , 277. Ankara. Kellie, J. D., Clive, P. J. M., Yang, G. L., Beck, R., Evans, B.C., Gordon, C., Hall, C., Harris, J. W., Jones,R. T., Laundy, D., Livingston, K., MacGregor, I. J. D., McGeorge, J. C., Melone, J., Schmidt, A., Slaven, P. A., Vrcelj, R. M., Wattsi, D., The selection and performance of diamond radiators used in coherent bremsstrahlung experiments. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 545, Lambert, R. P., Jury. J. W., Sherman, N. K., Measurement of bremsstrahlung spectra from 25 MeV electrons on Ta as a function of radiator thickness and emission angle. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 214,

66 Livingston, K., The Stonehenge technique. A method for aligning coherent bremsstrahlung radiators. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A. 603, Lowenthal, G. C., Practical Applications of Radioactivity and Nuclear Radiations. Combridge, UK, Combridege University Press, ISBN , 367, Combridge UK. Mallion, S., Rusev, G., Schilling, K. D., Schulze, W., Wagner, A., The photonscattering facility at the superconducting electron accelerator ELBE. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 555, Melissinos, A., Laser-Electron Interactions by Adrian Melissinos. Erişim tarihi: Physics Illinois University of Illinois at Urbana-Champaign. Erişim tarihi: Rollet, S., Energy deposition in the plasma-facing components of Ignitor. Radiation Physics and Chemistry. 61, Schwengner, R., Beyer, R., Dönau, F., Grosse, E., Hartmann, A., Junghans, A. R., Shanker, R., Experimental results on 2 30 kev bremsstrahlung from thick and thin targets. Radiation Physics and Chemistry.75, Türk Hızlandırıcı Merkezi (THM) Teknik Tasarımları ve Test Laboratuarları Projesi Ankara Üniversitesi. Erişim tarihi: Türk Hızlandırıcı Merkezi Projesi Ankara Üniversitesi Eişim Tarihi:

67 ÖZGEÇMİŞ Adı Soyadı : Zehra Nur DEMİRCİ Doğum Yeri ve Yılı: Ankara, 1986 Medeni Hali : Bekar Yabancı Dili : İngilizce Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl) Lise : Diyarbakır Ziya Gökalp Lisesi ( ) Lisans : Ondokuz Mayıs Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü ( ) Yüksek Lisans: Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Ana Bilim Dalı (2009- ) Çalıştığı Kurum/Kurumlar ve Yıl: Yayınları (SCI ve diğer makaleler): 1- N. Demir, İ. Akkurt, M. Dogru, G. Yegin, H. O. Tekin, Z. N. Demirci Simulations of Bremsstrahlung photon yields generated in thin radiator 2nd International conbference on Nuclear and Renewable energy Resources (NURER). 4-7 July 2010 Gazi University-Ankara. 2- İ. Akkurt, B. Mavi, K. Günoğlu, Z. N. Demirci "KONSERVE GIDALARIN RADYOAKTİVİTE YÖNÜNDEN ARAŞTIRILMASI" Türk Fizik Derneği 27. Uluslararası Fizik Kongresi (tfd27) Eylül 2010 İstanbul-Turkey. 3- Z. N. Demirci, İ. Akkurt, B. Mavi, K. Günoğlu, N. Karpuz, "KURUTULMUŞ BAZI GIDALARDA K-40 TAYİNİ " Türk Fizik Derneği 27. Uluslararası Fizik Kongresi (tfd27) Eylül 2010 İstanbul-Turkey. 4- İ. Akkurt, H. Akyıldırım, B. Mavi, K. Günoğlu, N. Karpuz, H. O. Tekin, Z. N. Demirci, R. Unal, A. Akkurt, H. A. Yalım "Afyon Kaplıcalarında Yüzey Radyasyon Ölçümü" ADIM Fizik gunleri-i Mayıs 2010-Afyon. 5- İ. Akkurt, H. O. Tekin, Z. N. Demirci, N. Demir, G. Yegin "TARLA da Bremsstrahlung Foton Deney Hattı" ADIM Fizik gunleri-i Mayıs 2010-Afyon- TURKEY. 54