PARÇACIK HIZLANDIRICILARI

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

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

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

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

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

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

Bu gün dünyada 4 kıtaya dağılmış onbeşbin (15000) civarında küçüklü büyüklü parçacık hızlandırıcısı mevcuttur. Daha önce bazılarının isimleri ve ülkeleri verilen ve daha çok parçacık fiziği, nükleer fizik deneyleri, sinkrotron ışınımı üretimi ve yeni teknoloji geliştirme amacıyla kurulan büyük ölçekli olanların sayısı ise 115 civarındadır. Ziyaretçi bilim adamları ile birlikte CERN de çalışan bilim adamı sayısı 4500, DESY de çalışan bilim adamı sayısı ise 3000 civarındadır . ..