TURKPRO Tesisinin Araştırma Potansiyeli, Kullanıcı Profili ve Üreteceği Katma Değer

Transkript

1 THM-YUUP Projesi Genel Değerlendirme Çalıştayı MART 2015 HTE, ANKARA ÜNİVERSİTESİ TURKPRO Tesisinin Araştırma Potansiyeli, Kullanıcı Profili ve Üreteceği Katma Değer Emel Alğın Eskişehir Osmangazi Üniversitesi

2 İçerik Proton demetlerinin kullanım alanları THM-PHT kullanıcı potansiyeli araştırması ve çalıştaylar Revize THM-PHT deney istasyonları THM-PHT düşük enerji bölgesi uygulama alanları THM-PHT yüksek enerji bölgesi uygulama alanları THM-PHT nin Türkiye için önemi

3 Parçacık hızlandırıclarının 3 temel uygulama alanı Bilimsel araştırmalar Tıbbi uygulamalar Endüstride uygulamalar

4 Yüksek güçlü hızlandırıcı tarihi Hızlandırıcılar ~ MW demet deneyiminde PSI: 600 MeV cyclotron, 1.3 MW SNS 925 MeV superconducting linac, 1 MW LANSCE: 800 MeV copper linac, 800 kw

5 Proton ışınlarının kullanımı ve uygulama alanları (1 kev-1 TeV 1nA-100 ma) Endüstriyel ve Savunma Uygulamaları (10 kev - 10 MeV, 1nA-30 ma) Uzay Uygulamaları (2 MeV MeV, 1nA-4nA) Biyolojik ve Tıbbi Uygulamalar (3 MeV-4GeV, 10nA-30 ma) MW ışını kullanım alanları (RNB, ADS vb) (300 MeV-3 GeV 600μA-30 ma) TAC-PAF

6 THM-PHT Kullanıcı Potansiyeli Araştırması İlk proton kullanıcı potansiyeli araştırması, 6 Mayıs-28 Mart 2012 döneminde gerçekleştirildi. Davet ve bilgilendirme mektupları daha çok sağlık alanında yaklaşık 600 kişiye gönderildi. Yaklaşık 100 kişiden cevap alındı ve bunların 30 u düzenlenen çalıştaya katıldı. Workshop on Turkish Accelerator Center Proton Accelerator Facility - Machine and Research Potential isimli çalıştay 7-8 Mayıs 2012 de gerçekleştirildi. Çalıştaya daha çok Radyasyon Onkolojisi, Nükleer Tıp ve Sağlık Fiziği alanlarından katılımlar oldu. Bu çalıştay sonrasında yeni LINAC ve deney istasyonları belirlenmiştir.

7 Çalıştay önerileri TAEK-PHT, THM-PHT için bir test tesisi olarak AR-Ge amaçlı kullanılması TAEK-PHT, THM-PHT ve tıp alanından kişiler ile ortak Nükleer Tıp Eğitim ve Araştırma Merkezi kurulması TAEK-PHT nin radyofarmasötiklerin geliştirilmesi amaçlı kullanılması TAEK-PHT nin Türkiye de medikal uygulamalar için radyoizotop üretiminde yeterli kapasiteye sahip olduğu >30 MeV üzeri radyoizotop üretiminde THM-PHT nin kullanılabileceği

8 İkinci Kullanıcı Potansiyeli Çalıştayı Ulusal Proton Hızlandırıcı Çalıştayı isimli çalıştay, endüstri, malzeme bilimi vs. alanlarında kullanıcı potansiyelini belirlemek üzere TAEK-PHT ile birlikte Nisan 2013 tarihlerinde SANAEM de düzenlendi. Çalıştayda hali hazırda kurulu olan ve kurulması planlanan proton hızlandırcıları hakkında bilgilendirme yapıldı. Çalıştayda, kullanıcı potansiyeli ve yol haritası belirlenmesi üzerine çalışıldı. Üniversite ve çeşitli enstitülerden yaklaşık 80 kişi katıldı. Çalıştayda 19 bildiri ve 9 poster sunuldu.

9 Çalıştay sonuçları TAEK-PHT Ar-Ge deney odasının, uzay uygulamaları ve mikrodemet uygulamaları için önemi vurgulandı. THM-PHT projesi altında hadron tedavisine yönelik Ar-Ge çalışmalarının gerekliliği vurgulandı. Genel olarak, THM-PHT nin nötron spalasyon kaynağı ve nötron uygulamaları için önemi tartışıldı. TAEK-PHT nin de nötron üretimine olanak sağlayabileceği tartışıldı. Hızlandırıcı güdümlü sistemler ve bunun dünya ölçeğinde geleceği bir başka çalıştayda tartışılmak üzere ertelendi. Hızlandırıcı teknolojileri üzerine personel eğitimi ve bunun önemi vurgulandı.

10 THM-Proton Hızlandırıcısı Deney İstasyonları

11 THM-PHT Düşük enerji muhtemel uygulama alanları Endüstriyel ve Savunma Uygulamaları Uzay Uygulamaları Malzeme Bilimleri Nükleer fizik Biyolojik ve Tıbbi Araştırma İzotop Üretimi Proton Terapisi-AR&GE

12 Nötron Radyografi Bu yöntem malzeme görüntüleme teknikleri arasında en gelişmiş olanıdır. Özellikle X-ışınlarına göre maddelerdeki giriciliği oldukça yüksektir. Ağır metallerin iç yapısını anlamakta en etkili yöntemdir. Uygulamalar: Biyoloji Bitkiler, fosil örnekleri Elektronik, Elektrik Mühendisliği Devre anahtarları, izolatörler, piller Hava ve Uzay Sanayi Enerji Depolama piller, yakıt hücreleri Otomobil Endüstri Motorlar, dökümler, kompozit malzemeler Nükleer Endüstrisi Yakıt elemanları Silah Sanayi Ateşleyiciler Arkeoloji Bronz veya demir örnekleri, tarihi eser incelenmesi Petrol ve Gaz Arama Türbin motorları, türbin bıçakları, problar

13 Nötron Radyografi Tesisi Fiziksel Öntasarımı (N. Hafızoğlu)

14 Uzay Uygulamaları (1MeV-900 MeV,1nA-4nA) Uzay radyasyonu proton demetleri ile üretilebilir. Uzay radyasyonu enerjisi ev den ev kadar değişen birçok parçacıktan oluşmaktadır. Yüksek enerjili protonlar uzay aracındaki yarıiletken malzemelere ve bileşenlere zarar verebilir. Astronotlar üzerindeki radyasyonun biyolojik etkilerini araştırmak için önemli olacaktır. TUBİTAK-UZAY ilk uydusunu gönderdi (RASAT) Bilkent Üniversitesi, Uzay Teknoloji Araştırma Merkezi bulunuyor.

15 Uzay Uygulamaları

16 Malzeme Bilimi Mikrodemet uygulaması 1 µm dan küçük noktasal proton demeti malzeme bilimi, tıp ve biyoloji vb. alanlarda kullanılmaktadır Hidrojen yoğunluk belirleme Proton Litografi Nano-yapılar Çevresel: atmosferik aerosoller Kültürel miras: arkeolojik örnekler Malzeme bilimi: ince filmler, çok tabakalılar, detektör performansı Biyoloji: bitki kökleri Medikal: kan damarları, deri Güney Kore PEFP projesi mikrodemet öntasarımı

17 Proton Demeti (20 MeV) THM-PHT Mikrodemet Tasarımı (A. Kılıçgedik) Slit Slit Enerji Degrader (<2.21 mm) 20 cm 25 cm Slit Kuadrupol Magnet PIXE için Si(Li) Detektör 100 cm Hedef Kolimatör 43.8 cm RBS için SSB Detektör

18 DEMET PARAMETRELERİ Enerji (MeV) 20 Frekans (Mhz) /0.24/0.14 α -1.68/2.80/0.56 β (mm/mrad, derece/ MeV) 0.55/1.19/136.8 Kuadrupol Magnetler Pole-tip Field (Kgaus) Effective Lenght (cm) Pole-tip radius of aperture (cm) Slitler Düşey Yarı açıklık 0.5 mm Q Q Q Yatay Yatay Kolimatör 0.2 mm 1 mm 0.8 mm

19

20 İyon Demeti Teknikleri MeV enerjili iyonların madde ile etkileşimi malzeme içeriğinin görüntülenmesi ve mikroanalizine olanak sağlar. Bu metodlar: PIXE - Proton Induced X-ray Emission: excited X-rays PIGE - Proton Induced Gamma-ray Emission: gamma-rays from nuclear reactions NRA - Nuclear Reaction Analysis: outgoing nuclear reaction particles RBS Backscattering: elastically scattered ions ERDA - Elastic Recoil Detection Analysis. SEI- Secondary Electron Imaging: low energy electrons ejected from outer orbits

21

22

23

24 Proton Litografi MeV enerjili protonlar ile mikroyapının 3D çizimi

25 Biyoloji ve tıp alanında uygulamalar Radyasyon biyolojisi çalışmaları Mikroorganizmaların ve bitkilerin mutasyon çalışmaları Kanser hücre çalışmaları

26 Dünyada bulunan mikrodemet tesisleri

27 Dünyadaki Nükleer Mikrodemetler Albuquerque, NM, USA, Ion Beam Materials Research Laboratory, Sandia Albany, NY, USA, Ion Beam Laboratory Bhubaneswar, India, Institute of Phisics Bordeaux, France, Centre d'etudes Nucleaires de Bordeaux Gradignan Bochum, Germany, Ruhr-Universität Buenos Aires, Argentina, "Tandar" Laboratory Budapest, Hungary, KFKI Reseasrch Institute for Particle and Nuclear Physics Chiba, Japan, NIRS Cracow, Poland, Institute of Nuclear Physics, Polish Academy of Sciences Darmstadt, Germany, GSI Debrecen, Hungary, ATOMKI, Institute of Nuclear Research of the HAS Denton, TX, USA, University of North Texas Dharan, Saudi Arabia, KFUPM Dresden-Rossendorf, Germany, Institute of Ion Beam Physics and Materials Research Eindhoven, The Netherlands, TU/e, Accelerator Laboratory Eugene, OR, USA, University of Oregon Faure, South Africa, ithemba LABS, The Materials Research Group Florence, Italy, INFN LABEC Guelph, Canada, University of Guelph, PIXE Group Guildford, UK, University of Surrey Ion Beam Centre Hyderabad, India, CCCM Irvington, NY, USA, Columbia University, RARAF Johannesburg, South Africa, Schonland Research Centre Kiev, Ukraine, "SPECTR" Laboratory, T.M.M. Company Lafayette, LA, USA, Louisiana Accelerator Center, Univ. of Louisiana Legnaro(Padova), Italy, INFN LNL Leipzig, Germany, LIPSION Lisbon, Portugal, ITN, Sacavem, Ion Beam Laboratory LivermoreCA, USA, LLNL, CAMS Ljubljana, Slovenia, Jozef Stefan Institute, Microanalytical Center Los Alamos, NM, USA, LANL, Ion Beam Materials Laboratory Lower Hutt, New Zealand, Nuclear Microprobe at GNS Menai, Australia, ANSTO Lund, Sweden, Lund University, Nuclear Physics Madrid, Spain, CMAM Melbourne, Australia, MARC Melbourne, Australia, CSIRO-GEMOC Nuclear Microprobe München, Germany, Technische Universität Paris, France, Lab. de Rech. des Musees (Louvre) Saclay, France, Lab. Pierre Sue CEA/CNRS Sevilla, Spain, Centro National de Aceleradores Shanghai, China, Institute of Modern Physics, Fudan University Shanghai, China, Shanghai Nuclear Institute Sendai, Japan, Tohoku University Singapore, Centre for Ion Beam Applications, National University of Singapore Takasaki, Gunma, Japan, TIARA at JAERI Teheran, Iran, Nuclear Research Centre, AEOI Zagreb, Croatia, Rudjer Boskovic Institute

28 Proton Tedavi Ar-Ge ( MeV protons) Proton terapi merkezi TAC proton hızlandırıcı tesisi Ar-Ge uygulama alanı olarak düşünülebilir Proton tedavi MeV arasında enerji aralığında uygundur Gözde oluşan tümörler na lik akıma ve MeV enerjiye sahip protonlar ile tedavi yapıla bilinir. 10 cm derinliğinde tüm tümörler kolaylıkla 250 MeV proton demetleri ile tedavi edilebilir

29 Radyoizotop Üretimi

30 THM-PHT Yüksek enerji muhtemel uygulama alanları Nötron uygulamaları: Nötron spallasyon ADS-Hızlandırıcı sürümlü sistemler İkincil demetler Radyoaktif iyon demetleri

31 Nötronların elde edilmesi İki yol ile Fisyon Zincir reaksiyonu sürekli 1 nötron/fisyon 180 MeV/nötron Ortalama daha yüksek nötron yoğunluğu. Spalasyon Zincir reaksiyonu yok pulslu 30 nötron/proton 30 MeV/nötron Pik daha yüksek nötron yoğunluğu.

32 Nötronların özellikleri ve kullanımı Yüksüz Derinlemesine nüfuz S=1/2 spin Doğrudan magnetisma probu Nükleer saçılma Hafif element ve izotoplara duyarlı Yakıt hücrelerinde Li hareketi Yüksek-Tc süperiletkenlik araştırmaları Proteinlerde aktif bölgeler Elektrik arabalarına fayda Daha verimli yüksek hızlı trenler Daha iyi ilaçlar

33 Nötron kaynakları

34 Neden nötron saçılması önemlidir? Nötronlar hafif çekirdekler üzerinde daha yüksek tesir kesitlerine sahiptir Işık kaynaklarını tamamlayıcı nitelikte (x-ışınları)

35 Ultra yavaş nötronlar: Temel Fizik Parçacık Fiziği Elektrik yükü Dedektör geliştirme Nükleer Fizik ann & apn saçılması Nükleon-nükleon Zayıf etkileşme menzilleri Madde içinde saçılma menzilleri Astrofizik/Kozmoloji N-N salınımları Gravitasyon Statik EDM < 100 n-ev nötronlar Proton demeti 1-3 GeV, 1 MW, yaklaşık sürekli modda

36 Nötron Spallasyonunun Uygulama Alanları

37 Nötron Spallasyonunun Uygulama Alanları

38 ADS nedir? Hızlandırıcı Sürümlü Sistem (Accelerator Driven System) Yüksek güçlü, güvenilir proton hızlandırıcı ~1 GeV demet enerjisi ~1 MW demet gücü Spalasyon hedef sistemi Ağır metal hedef üzerinde spalasyon reaksiyonu ile nötron üretimi Kritikaltı reaktör Zincir reaksiyonu dış nötron kaynağı ile sağlanır Çok küçük miktarda aktinit içeren yakıt kullanabilir

39 Neden ADS? Elektrik üretimi ADS, Toryum tabanlı yakıt çevrimine dayanır: Uranyumdan daha fazla doğal bolluk nükleer silaha direnç uzun ömürlü atıkların önemli düzeyde azaltılması ADS sistemi Th yakıtına dayanır ve fisil yakıta gerek yoktur - Th tabanlı yakıtlar aktif olarak birçok ülkede kullanılmaya başlamıştır

40 ADS Enerji üretimi (Carlo Rubbia) Süreç iki adımda gerçekleşir: Fisil olmayan Toryum, bir nötron yardımıyla fisil U-233 e dönüştürülür: Fisil U-233 ikinci bir nötron yardımıyla bölünerek, büyük bir enerjinin yanında ilave 2.3 yeni neutronların açığa çıkmasını sağlar. Bir parçacık hızlandırıcısı, eksik nötron miktarını sağlar ve reaksiyonda açığa çıkan enerjiyi kontrol eder. Döngü sonunda, yakıt yeniden işlenir, atıklar yalnızca fisyon ürünleridir. Bunların radyoaktifliği yoğun olmasına rağmen yüzlerce yıl ile sınırlıdır. Aktinitler ayrıştırmadan yeniden kullanılır ve taze Toryuma ilave edilir. Döngü, giren malzeme yalnızca doğal element ve çıkan malzeme yalnızca fisyon ürünleri olduğunda kapanır.

41 Radyoaktif atık dönüşümü

42 Neden ADS? Uzun ömürlü nükleer atıkların dönüşümü ADS sistemlerinde aktinitlerin yakılmasında hızlı reaktör neutronics kullanılır Uzun dönem atık saklama sıkıntısını azaltır

43 Radyoaktif İyon Demetleri Erken evrende oluşan elementlerin nükleosentezinin anlaşılmasına yönelik nükleer reaksiyon çalışmaları Supernova patlaması, X-ray burst

44 Hızlandırıcı: Farklı bakış açıları

45 Sonuç olarak: Hızlandırıcılar, ülkelerin bilim ve teknolojilerinin ilerlemesinde çok önemli rol oynar, Yüksek güçlü proton hızlandırıcı ihtiyacı tüm dünyada gitgide artarken Türkiye de bu konuda elinden geleni yapmalıdır, Hızlandırıcılar oldukça pahalı olup, uzun emek ve disiplinli çalışma ile gerçekleştirilebilecek projelerdir.

46 Teşekkürler