t.c. sÜleyman dem Đrel Ün Đvers Đtes Đ fen …tez.sdu.edu.tr/tezler/tf01640.pdfradyo frekans...

i

T.C. SÜLEYMAN DEMĐREL ÜNĐVERSĐTESĐ

FEN BĐLĐMLERĐ ENSTĐTÜSÜ

BREMSSTRAHLUNG FOTON DEMETĐNĐN GÖMÜLMESĐ ĐÇĐN

PARAMETRELERĐN BELĐRLENMESĐ VE TASARLANMASI

Hüseyin Ozan TEKĐN

Danışman: Prof. Dr. Đskender AKKURT

YÜKSEK LĐSANS TEZĐ FĐZĐK ANABĐLĐM DALI

ISPARTA- 2011

i

ĐÇĐNDEKĐLER

Sayfa

ĐÇĐNDEKĐLER ......................................................................................................... i

ÖZET ..................................................................................................................... iii

ABSTRACT ........................................................................................................... iv

TEŞEKKÜR .............................................................................................................v

ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ ................................................................................................ vi

SĐMGELER VE KISALTMALAR DĐZĐNĐ ........................................................... viii

1. GĐRĐŞ ...................................................................................................................1

1.1. Hızlandırıcı Teknolojileri ...................................................................................2

1.2. Hızlandırıcı Çeşitleri ..........................................................................................5

1.2.1 Doğrusal (Linac) parçacık hızlandırıcıları ........................................................5

1.2.2 Dairesel parçacık hızlandırıcıları ......................................................................7

1.2.2.1. Siklotron parçacık hızlandırıcıları……………………………………………8

1.2.2.2. Sinkrotron parçacık hızlandırıcıları …………………………………………9

1.3. Bremsstrahlung Fotonları ve Foton Demetinin Gömülmesi .............................. 11

1.3.1 Bremsstahlung foton ...................................................................................... 11

1.3.2 Bremsstrahlung fotonlarının gömülmesi ......................................................... 13

1.4. Fotonlar ........................................................................................................... 14

1.5. Foton Madde Etkileşimlerinin Teorisi .............................................................. 15

1.5.1 Fotoelektrik olay ............................................................................................ 16

1.5.2 Compton saçılması......................................................................................... 16

1.5.3 Çift oluşum .................................................................................................... 17

1.5.4 Foton demet gömüsünde kullanılan malzemeler ............................................. 18

1.6. Türk Hızlandırıcı Merkezi Bremmstrahlung Deney Alanı ............................... 22

1.6.1 Bremsstrahlung tesisi ..................................................................................... 23

2. KAYNAK ÖZETLERĐ ....................................................................................... 25

2.1. Enerjik Fotonların Gömülmesi Đşlemi............................................................... 25

2.2. ELBE Süperiletken Elektron Hızlandırıcısında Foton Saçılması Deneyleri ....... 26

3. MATERYAL VE YÖNTEM .............................................................................. 30

3.1. Materyal .......................................................................................................... 30

ii

3.1.1 EGSnrc kod sistemi ....................................................................................... 30

3.1.2 Geant4 ........................................................................................................... 31

3.1.3 3ds max tasarım programı ve foton demet gömüsü tasarımları ....................... 32

3.2. Yöntem ............................................................................................................ 33

3.2.1 Simülasyon .................................................................................................... 33

3.2.2 BEAM nrc monte carlo simülasyonu ............................................................. 34

4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA .................................................. 36

4.1. Dikdörtgen Geometriye Sahip Foton Demet Gömüsü ....................................... 36

4.1.1 Dikdötgen geometriye sahip foton demet gömüsüden geri saçılma

spektrumları ....................................................................................................... 38

4.1.2 Dikdörtgen geometriye sahip foton demet gömüsü için 3 ds Max çizimleri41

4.2. Silindirik Geometriye Sahip Foton Demet Gömüsü .......................................... 43

4.2.1 Silindirik geometriye sahip foton demet gömüsüden geri saçılma

spektrumları ....................................................................................................... 45

4.2.2 Silindirik geometriye sahip foton demet gömüsü için 3 ds Max çizimleri .. 48

4.3. Her Đki Foton Demet Gömüsüne Ait Geri Saçılma Spktrumlarının

Karşılaştırılması ................................................................................................. 51

5. SONUÇ .............................................................................................................. 54

6. KAYNAKLAR .................................................................................................. 55

ÖZGEÇMĐŞ............................................................................................................ 57

iii

ÖZET

Yüksek Lisans Tezi

BREMSSTRAHLUNG FOTON DEMETĐNĐN GÖMÜLMESĐ ĐÇĐN PARAMETRELERĐN BELĐRLENMESĐ VE TASARLANMASI


Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü

Fizik Anabilim Dalı

Danışman: Prof. Dr. Đskender AKKURT

Türkiye’de AR-GE amaçlı olarak kurulması planlanan ilk tesis olan Türk Hızlandırıcı Merkezi projesinde hayata geçirilecek olan ilk tesis TARLA (Turkish Accelerator and Radiation Laboratory at Ankara) Türkiye’nin ilk radyasyon ışınım kaynağı olması açısından önemli bir yere sahiptir. TARLA’da elektron demeti 15-40 MeV enerji aralığında hızlandırıldıktan hemen sonra IR-SEL üretimi yanında çeşitli Nükleer Fizik araştırmaları için bremsstrahlung fotonlarının üretildiği bremsstrahlung deney istasyonu kurulacaktır. Bu çalışmada bremsstrahlung deney tesisinin donanımlarından bir tanesi olan foton demet gömüsünün simülasyon çalışmaları ve dizayn işlemi gerçekleştirilmiştir. Çalışmalar sırasında simülasyon programı olarak EGSnrc ve Geant4 kodları, dizayn işlemlerinde ise 3ds Max programı kullanılmıştır. Foton demet gömüsünün ölçüleri belirlenip simülasyon programına tanıtıldıktan sonra foton demet gömüsünden detektör bölgesine olan geri saçılma hesaplanmıştır. Yapılan çalışmalar sonunda TARLA’da dikdörtgensel geometriye sahip foton demet gömüsünün kullanılması amaçlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Bremsstrahlung, Foton Demet Gömüsü, EGSnrc kod sistemi,

Lineer Hızlandırıcılar

2011, 57 sayfa

iv

ABSTRACT

M.Sc. Thesis

DETERMINATION OF THE PARAMETERS AND DESIGN OF THE

BREMSSTRAHLUNG PHOTON BEAM DUMP


Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences

Department of Physics

Supervisor: Prof. Dr. Đskender AKKURT

TARLA, which is the first facility to carry out in the Project of Turkish Accelerator Centre, which has been planned to be established primarily in Turkey, is very important in terms of being the first source of radiation ray in Turkey. After electron beam is accelerated within the energy range of 15 to 40 MeV Bremsstrahlung experiment station where Bremsstrahlung photons are produced is going to be established. In this study, photon beam dump, which is one of the most important equipment of the experiment station has been done by using EGSnrc and Geant4 codes to simulate and 3 ds Max program to design. After the identification of photon beam dump with sizes, backscattered particle amount calculated in detector area. It can be purposed that the photon beam dump with rectengular geometry can be used at TARLA bremsstrahlung photon facility. Keywords: Bremsstrahlung, Photon Beam Dump, EGSnrc code system, Linear

Particle Accelerators

2011, 57 pages

v

TEŞEKKÜR

Yüksek lisans tezi olarak sunduğum bu çalışmamda ve bütün akademik hayatım

boyunca yanımda olan, yurtiçi ve yurtdışı çalışmalarıma öncülük edip olanak

sağlayan, akademik çalışma hayatının nasıl olması gerektiği konusunda her zaman

örnek aldığım, engin tecrübeleri ve akademik bilgilerinden her daim faydalandığım

danışman hocam Prof.Dr. Đskender AKKURT’a teşekkür ederim.

Yüksek lisans çalışmam boyunca her türlü desteğini benden esirgemeyen,

çalışmalarım esnasında bana bütün imkanları sağlayan, Türk Hızlandırıcı Merkezi

projesi üyesi Doç.Dr. Gültekin YEĞĐN’e ve grubumuzun diğer üyelerine teşekkür

ederim.

Her türlü konuda bilgi alışverişinde bulunduğumuz, desteğini sürekli yanımda

hissettiğim, bilgi ve deneyimlerini benimle sürekli paylaşan Doktora Öğrencisi sayın

Kadir GÜNOĞLU’na ve tüm çalışma arkadaşlarıma teşekkür ederim.

Almanya’da “Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf” parçacık hızlandırıcı

Merkezinde geçirdiğim 1 ay boyunca tüm olanakları bana sağlayan, HZDR Nükleer

Fizik grubu başkanı Dr.Andreas WAGNER’e, tecrübelerinden faydalandığım

Dr.Roland SCHWENGNER’e, GEANT4 programının kullanımı ile ilgili yaptığımız

çalışmalarda bana yardımcı olan Ralph MASSARCZYK’e ve tüm HZDR ekibine

teşekkür ederim.

Yüksek lisans çalışmasında mali desteklerini sunan Süleyman Demirel Üniversitesi

Bilimsel Araştırma Projeleri yönetim birimi müdürlüğüne (Proje no: 2482-YL-10) ve

Üyesi olduğum Türk Hızlandırıcı Merkezi (DPT2006K-120470) projesine teşekkür

ederim.

Maddi ve manevi destekleri ile hayatım boyunca yanımda olan sevgili aileme

teşekkür ederim.


ISPARTA, 2011

vi

ŞEKĐLLER DĐZĐNĐ

Şekil 1.1.Doğrusal parçacık hızlandırıcısı .................................................................3

Şekil 1.2. Parçacığın elektrik alanda hızlanması ........................................................4

Şekil 1.3. Stanford doğrusal parçacık hızlandırıcısı ...................................................6

Şekil 1.4. Doğrusal parçacık hızlandırıcısının temel çalışma prensibi ........................6

Şekil 1.5. Siklotron hızlandırıcı .................................................................................8

Şekil 1.6. Sinkrotron parçacık hızlandırıcılarının temel çalışma prensibi ................. 10

Şekil 1.7. Avustralya sinkrotron hızlandırıcısına ait çalışma şeması ........................ 10

Şekil 1.8. Bremsstrahlung radyasyon oluşumu ........................................................ 12

Şekil 1.9. Foton demet gömüsünün genel yapısı ...................................................... 13

Şekil 1.10. Fotonların enerjilerine bağlı olarak farklı maddeler ile etkileşimi .......... 15

Şekil 1.11. Fotoelektrik olay ................................................................................... 16

Şekil 1.12. Çift oluşum ........................................................................................... 17

Şekil 1.13. Polietilen malzeme ................................................................................ 19

Şekil 1.14. Kadmiyum ............................................................................................ 20

Şekil 1.15. Kurşun .................................................................................................. 21

Şekil 1.16. Türk hızlandırıcı merkezi bina iç planlaması ......................................... 23

Şekil 1.17. TARLA şematik gösterimi .................................................................... 24

Şekil 2.1. Birincil absorblayıcı maddeler için yapılan simülasyon çalışmaları ......... 25

Şekil 2.2. Foton demet gömüsü içerinde parçacıkların dağılımının simülasyonu ...... 26

Şekil 2.3. ELBE süperiletken elektron hızlandırıcısı ve bremsstrahlung deney alanı

............................................................................................................. 27

Şekil 2.4. 9 MeV lik elektron demeti için foton gömüsünden saçılan parçacıklara ait

spektrum ............................................................................................... 28

Şekil 2.5. 9 MeV lik elektron demeti için deney alanındaki fon radyasyonu……….28

Şekil 3.1. Hızlandırıcı simülasyonu yapmak için gereken tüm adımların sistematik

şeması ................................................................................................... 34

Şekil 4.1. Demet gömüsünün kurşun (Pb) kalınlıkları .............................................. 36

Şekil 4.2. Polietilen malzeme ve kadmiyum kalınlıkları .......................................... 37

Şekil 4.3. 10 MeV lik foton demeti için geri saçılma spektrumu .............................. 38


vii



Şekil 4.7. Dikdörtgen geometrideki foton demet gömüsü 3 ds Max Tasarımı 1 ....... 42

Şekil 4.8. Dikdörtgen geometrideki foton demet gömüsü 3 ds Max tasarımı 3 ......... 42

Şekil 4.9. Dikdörtgen geometrideki foton demet gömüsü 3 ds Max tasarımı 4 ......... 43

Şekil 4.10. Silindirik geometriye sahip foton demet gömüsünün kurşun (Pb) yapısı ve

ölçüleri ................................................................................................. 44

Şekil 4.11. Silindirik geometriye sahip foton demet gömüsünün polietilen (PE) yapısı

ve ölçüleri ............................................................................................. 44

Şekil 4.12. 10 MeV lik foton demeti için geri saçılma spektrumu ............................ 46




Şekil 4.16. Silindirik geometrideki foton demet gömüsünün 3 ds Max tasarımı 1 .... 49

Şekil 4.17. Silindirik geometrideki foton demet gömüsünün 3 ds Max Tasarımı 2 ... 49



Şekil 4.20. 10 MeV lik parçacık enerjisi için geri saçılma spektrumlarının

karşılaştırılması .................................................................................... 51







viii

SĐMGELER VE KISALTMALAR DĐZĐNĐ

LHC Large Hadron Collider (Büyük hadron Çarpıştırıcısı)

GeV Giga elektron volt

TeV Tera elektron volt

MeV Mega elektron volt

AC Alternatif Akım

RF Radyo Frekansı

Z Atom Numarası

keV Kilo elektron volt

Kr Kripton

Cd Kadmiyum

ELBE Electron Linac for beams with high Brilliance and low Emittance

EGS Electron Gama Shower

NRC National Research Council (Ulusal Araştırma Konseyi)

h Planck Sabiti

v Frekans

c Işık Hızı

me Elektronun Kütlesi

3D Three Dimensions (Üç Boyut)

1

1. GĐRĐŞ

Parçacık Hızlandırıcıları 21. yüzyılın önde gelen ve diğer teknolojilerin gelişmesinde

önemli bir rol oynayan teknolojilerin başında gelen, yüksek teknolojiye ve birikime

dayalı sistemlerdir. Parçacık hızlandırıcısı sistemleri, yüklü parçacıkları hızlandırıp

sabit veya hareketli bir hedefe yönlendirip çarpıştırarak Parçacık Fiziği (Yüksek

Enerji Fiziği) ve Nükleer Fizik alanlarında problemlerin ve bilinmeyen niceliklerin

çözümü için deneysel çalışmaların yapılmasını sağlayan, ikincil parçacık demetlerin

oluşmasını sağlayan, sinkrotron ışınımı, serbest elektron lazerlerinin (SEL)

üretiminde kullanılan ileri düzeydeki deneysel çalışma sistemleridir.

Đlk parçacık hızlandırıcıları Van de Graff, Cackraft, Walton tarafından 1928 lerde

elektrostatik hızlandırıcı konseptinde tasarlanmıştır. Demet enerjisi olarak,

elektrostatik hızlandırıcılardaki değer küçüktür. Bu tip yüklü parçacık hızlandırıcısı

sistemlerinde yapılan deneyler genelde nükleer reaksiyonları tetikleme amaçlıdır. Bir

başka durum ise yüksek enerji değerlerinde çalışan yüklü parçacık hızlandırıcısı

sistemlerine enjekte edilecek olan demetin elde edilmesi işlemi bu tip

hızlandırıcılarda yapılmaya başlamıştır.

Hızlandırıcı sistemlerinde, elektrostatik hızlandırıcıların bu denli fayda sağlaması ve

kendine birçok uygulama alanı bulması, farklı türde diğer hızlandırıcı

teknolojilerinin gelişmesine olanak sağlamıştır. Bu yeni teknolojilerden bazıları

radyo frekans (RF) kaviteleri, siklotron ve betatron tipi hızlandırıcılarda kullanılan

büyük magnetler gibi birçok teknolojinin kullanımı, elektrostatik hızlandırıcının

büyük başarısını takip eden dönemlerde olmuştur. Birbirini takip eden tüm bu

teknolojik gelişmeler fizik dışında daha birçok bilimsel alanda meydana gelen

disiplinler arası çalışmaya ve bu farklı alanların hızlandırıcı fiziği araştırma ve

geliştirme faaliyetleri adı altında yer bulmasına olanak sağlamıştır.

Gelişen ve değişen teknolojik şartlara birlikte bir çok hızlandırıcı çeşidi yapılmıştır.

Bu sistemler fiziksel olarak birbirlerinde farklı özelliklere sahiptirler. Çalışma

prensibi olarak ta birbirlerinden ayrıldıkları bir çok alan mevcuttur. Örneğin; lineer

2

hızlandırıcılarda, hızlandırma düzeneği (genelde RF rezonans boşluğu) bir defa

geçilir ve hızlandırma gradyeni ve uzunluğuna göre linaklarda özellikle hafif

parçacıklar günümüzde birkaç GeV enerjilere ulaştırılmaktadırlar. Dairesel

hızlandırıcılar ise, genel olarak parçacık demetlerinin belirli bir hızlandırma

düzeneğinden defalarca geçecek şekilde tasarlanırlar. En tipik olanı sinkrotronlardır.

Bu güne kadar inşa edilmiş en büyük sinkrotron CERN de bulunan elektron-pozitron

çarpıştırıcısı LEP (Large Electron Positron) dur.Bu sinkrotronda çevre 27 km ve

demet enerjileri demet başına 100 GeV seviyesine ulaşmıştır. Günümüzde TeV

enerjili sinkrotronlar mevcuttur. (TEVATRON, HERA, LHC v.b). Ayrıca Betatron

ve Mikrotron’ da dairesel hızlandırıcı tipleridir. Ancak, boyut olarak daha küçük ve

fizik açısından ağır parçacıkların ve iyonların hızlandırılmasına daha uygun olan

diğer bir dairesel hızlandırıcı tipi ise siklotronlardır.

1.1. Hızlandırıcı Teknolojileri

Bir elementin kimyasal özelliklerini taşıyan en küçük parçasına atom denir. Evrende

mevcut olan tüm maddeler (yüksek enerjili madde ve anti madde hariç), pozitif yüklü

bir çekirdek ve etrafında dönen negatif yüklü elektronlardan oluşan yaklaşık 100

farklı atomdan meydana gelmektedirler. Atomun çekirdeği ise nükleon olarak

adlandırılan ve yaklaşık elektronlara göre 2000 kat daha ağır olan, artı yüklü proton

ve yüksüz nötronlardan oluşmaktadır.

Dolayısıyla bu üç parçacık, etrafımızdaki sonsuz çeşitlilikteki maddenin temel yapı

taşlarıdır. Şu andaki bilgilerimize göre elektronlar, kendilerini oluşturan alt

parçacıklar olmadığından temel parçacık olarak kabul edilirler, nükleonlar ise,

elektronun “-1″ yüklü olduğu varsayıldığında, “+2/3″ veya “-1/3″ elektrik yükünde

olan kuark adı verilen üç alt parçacıktan oluşmuşlardır.

Maddenin yapısının analizinde bilim adamlarının kullandığı en önemli yöntemlerden

bir tanesi çekirdek reaksiyonlarıdır. Reaksiyon tanımı özet olarak bir atomik

çekirdeğin hızlı, hafif bir parçacık (elektron, proton, gama) tarafından hedef alınarak

bombardıman edilmesi ve bunun neticesinde hedef çekirdekten fırlayan nükleonların

veya fotonların ölçülmesi olarak tanımlanabilir. Bu tür reaksiyonlarda ihtiyaç

3

duyulan hızlı parçacıklar laboratuar şartlarında elde edilemediğinden dolayı

Hızlandırıcı teknolojilerinden faydalanılır. Şekil 1.1.’ de doğrusal bir parçacık

hızlandırıcısının genel yapısı gösterilmiştir. Şekil 1.1’ de görülen doğrusal bir

parçacık hızlandırıcısında mevcut bulunan drift tüpleri ve parçacıkların bu

doğrultudaki hareket yörüngeleridir.

Şekil 1.1. Doğrusal parçacık hızlandırıcısı (Carleton University , 2010)

Yüklü parçacık hızlandırıcıları ile yapılan işlemlerin amacı belirlenen enerji

düzeyinde parçacık demetini bir hedef üzerine saptırarak etkileşmesini sağlamaktır.

Yüklü parçacıkların, parçacık hızlandırıcıları ile hızlandırma işleminde, bir elektrik

alanı ile yüksek hıza ulaşması, elektrik alanı ile hızlandırılan parçacığın doğal eğilimi

olan sapmayı önlemek için odaklanmaları, hızlanan ve belirli bir odaklanmaya sahip

parçacıkların belirlenen hedef üzerine yönlendirilmesi için saptırıcılara ihtiyaç

duyulur. Hızlandırma işleminin yapıldığı ortamda, parçacıkların hava molekülleri ve

bunun gibi ikincil ortamlarla etkileşmesi için ise vakumlama işlemi, parçacık

hızlandırıcılarında uygulanması gereken diğer bir konudur. Yüklü parçacıkların

hızlandırılması işlemi en genel anlamı ile elektrik alanı yardımı ile yapılır. Elektrik

alandaki potansiyel farkın yarattığı etki, parçacığın hızlanmasına dolayısı ile parçacık

hızlandırıcısı sistemlerindeki ilk adımın atılmasına yol açar. Şekilde bir elektronun

elektrik alana v hızı ile girip v’ hızı ile çıkışı gösterilmiştir. Şekil 1.2.’ de bir

parçacığın elektrik alanda hızlanması gösterilmiştir.

4

Şekil 1.2. Parçacığın elektrik alanda hızlanması

Parçacık hızlandırıcıları enerji düzeylerine göre 3 gruba ayrılırlar, bunlar düşük

enerji düzeyli parçacık hızlandırıcıları, orta enerji düzeyli parçacık hızlandırıcıları ve

yüksek enerji düzeyli parçacık hızlandırıcılarıdır. Enerji düzeylerinden, düşük

enerjili yüklü parçacık hızlandırıcıları genellikle enerji değeri 10-100 MeV arasında

enerji değerlerine sahip yüklü parçacık demetleri üretmek amacı ile kullanılır. Orta

enerji düzeyine sahip yüklü parçacık hızlandırıcıları ise enerji değerleri 100-1000

MeV arasında değişen yüklü parçacık demetlerinin elde edilmesi işleminde

kullanılır. Son olarak enerji değerleri 1 GeV ve daha yüksek enerji değerlerine sahip

yüklü parçacıkların üretilmesi işleminde ise yüksek enerji düzeyindeki parçacık

hızlandırıcıları kullanılır.

Yüklü parçacıkları hızlandırma işlemi doğrusal bir yörünge ve dairesel bir yörünge

izleme esasına dayanarak 2 farklı şekilde yapılabilir. Yüklü parçacıkları hızlandırma

işleminde hangi yol kullanılırsa kullanılsın, doğrusal ve dairesel yörüngelerde

parçacık hızlandırmanın birbirlerine göre artıları ve eksileri vardır.

Yüklü parçacıkları hızlandırma işleminde, sistemin soğutulması da önemli bir

etkendir. Gerek mıknatısların gerekse yüklü parçacıkların hareketlerinden meydana

gelen manyetik alanın tüpte yol açtığı ısınmanın soğutulması da çeşitli tekniklerde

soğutma işlemleri uygulanarak gerçekleştirilir.

5

1.2. Hızlandırıcı Çeşitleri

Fizik kurallarına göre sadece bir elektrik yüküne sahip olan kararlı parçacıklar ve

bazı teknikler vasıtası ile yüksüz parçacıklar hızlandırılabilir. Bu yüklü parçacıklar,

elektron ve pozitron, proton ve karşıt proton ve kararlı iyonlardır. Yüklü parçacıkları

hızlandırma işleminde ulaşılan hızlar, eğer ışık hızına yakın seviyelerde ise göreli

mekaniğin, çok altındaysa klasik mekaniğin yasalarına uyar. Bir yüklü parçacık

hızlandırıcısının işlevi özdeş parçacıklar kümesini, belirli bir kinetik enerjiye

ulaştırmaktadır. Dar bir demet halinde toplanan bu parçacıklar, maddenin kristal,

atom, çekirdek ve çekirdek altı gibi farklı düzeylerdeki yapısını incelemeye yarar.

Teknoloji alanında son yıllarda elde edilen gelişmelerin neticesinde, gittikçe daha

yüksek enerji değerleri sağlayan yüklü parçacık hızlandırıcıları yapıldı. Bu

enerjilerin fizikte birim olarak karşılığı elektron-volt olarak ölçülmektedir. Bir yüklü

parçacık hızlandırıcısı genel olarak, yüklü parçacıkları üreten bir kaynak, bunlara

enerji aktaran bir sistem, hızlandırma boyunca bu parçacıkları yönlendirerek hedefe

doğru fırlatan manyetik ya da elektrostatik bir sistem içerir. Fırlatma aşamasına dek,

parçacıklar ileri derecede vakumlanmış geçirimsiz kapalı bir kapta korunur. Đki temel

hızlandırıcı sınıfı vardır: doğrusal ve dairesel hızlandırıcılar.

1.2.1 Doğrusal (Linac) parçacık hızlandırıcıları

Doğrusal hızlandırıcılarda parçacıklar bir AC gerilimi yardımı ile bir çok hızlanmaya

maruz kalırlar. Lineer hızlandırıcılarda parçacıklar, doğrusal bir yol boyunca hareket

ederler. Lineer hızlandırıcılarda parçacık demeti, AC gerilim kaynağının zıt

kutuplarına sırası ile bağlanmış olan boş boru biçimli elektrot dizisi boyunca hareket

eder. Lineer hızlandırıcılarda, hızlanma işlemi ise parçacık demetinin elektrotlar arası

boşluğu geçmesi ile sağlanır.

6

Şekil 1.3. Stanford doğrusal parçacık hızlandırıcısı (SLAC, 2011)

Doğrusal hızlandırıcılar, sabit hedef deneylerinde kullanıldıkları gibi, demet

çarpıştırmalarında da kullanılabilirler. Bazen ön hızlandırıcı olarak kullanılırlar ve

hızlandırdıkları parçacıklar dairesel hızlandırıcıya aktarılırlar. Dairesel hızlandırıcılar

da keza; doğrusal bir tüpe aktarımla sabit hedef deneylerinde veya doğrudan ışın

çarpıştırıcı olarak kullanılabilirler. Çarpışmadan geriye kalan veya çarpışma sırasında

ortaya çıkan ürünlerin belirlenmesi, deneylerin ana hedefidir. Bu amaçla çok çeşitli

parçacık belirleyicileri (detektör) kullanılmak durumundadır. Sabit hedef

deneylerindeki hedef çoğu zaman, bu belirleyicinin içindeki bir malzemedir.

Şekil 1.4. Doğrusal parçacık hızlandırıcısının temel çalışma prensibi

Şekil 1.4.’de görülen lineer hızlandırıcıya ait çalışma prensibinde, demetin hareket

ekseni boyunca sıralanmış bir takım sürüklenme (drift) tüplerinden meydana geldiği

görülmektedir. Bu sürüklenme tüpleri bir RF (radyo frekans) kaynağına doğrudan

bağlanmış şekildedir. RF kaynağı yüksek frekansta alternatif voltaj sağlamaktadır.

Đlk yarım periyotta ilk drift tüpe uygulanan voltaj “iyon kaynağını” terk eden

7

parçacığı hızlandırır. Drift tüpler, Faraday kafesi gibidir ve parçacıkları dış alanlara

karşı perdeler.

Lineer hızlandırıcılarda i drift tüpün sonunda q yüklü parçacığın ulaşmış olduğu

enerji ise;

(1.1)

bağıntısı ile hesaplanır. Bu bağıntıda Φ0 parçacığın tüpler arasındaki boşlukları

geçerken karşılaşmış olduğu ortalama RF voltaj fazıdır. Bu denklemden çıkarılacak

sonuç şudur ki; parçacığın kazanacağı enerji miktarı sürüklenme tüplerinin sayısıyla

doğru orantılıdır. Ortamda gerekli olan voltaj en fazla Umax kadardır. Sürüklenme

tüpleri kullanarak çok yüksek bir voltaja ihtiyaç olmadan parçacıkları hızlandırabilir

ki bu da RF hızlandırıcıların elektrostatik hızlandırıcılarla kıyaslandığında göze

çarpan avantajlı yönlerinden biridir.

Dairesel parçacık hızlandırıcılarının ise birkaç çeşidi mevcuttur. Bunlardan elektrik

alan ve manyetik alan bileşenlerinin değerleri sabit olan yüklü parçacık

hızlandırıcılarına ‘siklotron’ değişken olanlarına ise ‘sinkrotron’ denir. Đki tür farklı

yörünge izleyerek yüklü parçacıkları hızlandırma işleminde elde edilmesi istenen

demet enerjisi doğrusal hızlandırıcılarda, hızlandırıcı uzunluğunu arttırmakla

mümkün olabilir. Diğer yöntem olan dairesel yörüngeye sahip parçacık

hızlandırıcılarında ise merkezkaç kuvvetinden kaynaklanan ‘sinkrotron ışıması’

parçacık demeti enerjisinde büyük kayıplara yol açmaktadır. Enerji kayıplarına yol

açabilen başka bir durum da ortamda bulunan hava molekülleri yada yabancı

parçacıklardır. Bu durumun önüne geçebilmek için hızlandırılma işlemi yapılan

ortamların çok iyi bir biçimde vakumlanmış olması gerekir.

1.2.2 Dairesel parçacık hızlandırıcıları

Doğrusal parçacık hızlandırıcılarının yanında bir başka parçacık hızlandırıcı çeşitide

dairsel bir yol boyunca parçacıkların hızlandırılmasıdır. Dairsel bir yol boyunca

hızlandırılan parçacıkların ulaşacağı enerji miktarı, doğrusal bir yol boyunca

8

hızlandırılan parçacıklara göre daha büyük değerler alır. Kullanım amacı ve

hızlandırılan parçacıkların çeşitleri açısından bu iki tür parçacık hızlandırıcısı

birbirinden ayrılır. Dairesel parçacık hızlandırıcıları genel olarak 2 başlık altında

incelenebilir.

1.2.2.1. Siklotron parçacık hızlandırıcıları

1931 yılında Lawrance ve Livingstone tarafından tasarlanmıştır. Bu tip

hızlandırıcılarda yönlendirici manyetik alan ve hızlandırma frekansları sabittir.

Siklotron hızlandırıcıları tek adımlı elektrostatik hızlandırıcılarına bir alternatif

olarak düşünülebilirler. Siklotron hızlandırıcılarındaki temel amaç, dairesel bir

makine içerisinde, parçacığın her tur atışında belirli bir enerji kazanarak ve bu

artışları sonucunda parçacık enerjisinin MeV seviyesinde gelmesini sağlamaktır. Bu

çalışma prensibine göre çalışan teknolojik cihazların bilinen en eskisi manyetik

rezonans hızlandırıcısı diye de adlandırılan (cyclotron) siklotoron dur.

Şekil 1.5. Siklotron hızlandırıcı

Şekil 1.5.’ da görüldüğü gibi Demet, manyetik alanın etkisi altında dairesel bir yol

boyunca hareket eder ve bu parçacıklar sahip oldukları geometrik şekiller nedeni ile

“D” ler adı verilen yarım daire biçiminde bir şekle sahip metal odalar içerisinde

hareketlerine devam ederler. D ler prensip olarak bir alternatif gerilim kaynağına

bağlı bir sistemdir.

9

Kullanılmakta olan parçacıklar D ler içerisinde bir elektrik alan etkisi duymadan

hareket ederler. Burada parçacık üzerine etkiyen kuvvet sadece manyetik alan

bileşenidir ve parçacığa dairesel bir yön verir. D ler arasında ise parçacıklar elektrik

alanının etkisi altına girerek hızlanır ve her dönüşte küçük bir miktar enerji

kazanırlar. Parçacıkları hızlandırmak için ilk siklotron 1931 yılında Berkeley'de

M.Stanley tarafından yapılmıştır. D ler 12,5 cm çapındaydı ve siklotron 1,3 Tesla

alanda 1,2 MeV enerjili protonlar üretebiliyordu, buna karşılık gelen frekans 20 MHz

civarlarındaydı (Krane, 2002).

1.2.2.2. Sinkrotron parçacık hızlandırıcıları

Sinkrotron tipi hızlandırıcı sistemlerindeki hedeflenen temel amaç, çok yüksek enerji

değerlerine sahip parçacıkların ortalama sabit bir yarıçapta ve bir yörünge de

hareketine devam etmesidir. Bu sebepten dolayı manyetik alan bileşeni Sikrotron tipi

hızlandırıcı sistemlerinde olduğu gibi bütün bir dairesel geometri hacme değil de

sadece dairesel geometrinin çevresine uygulanır. Bilinmesi gereken diğer bir konu

ise dairesel bir mıknatısın Sinkrotron tipi hızlandırıcı teknolojilerinde bu görevi

yerine getirmesidir.

Parçacık demetleri sinklotron tipi hızlandırıcılarda dairesel bir yörünge izlerler ve bu

dairesel yörüngeyi izlerken,her yörünge boyunca bir boşluktan geçtikçe bir rezonans

elektrik alan tarafından hızlandırılırlar.Bu bir nevi bir grup futbolcunun,bir oyun

esnasında, her birinin topa bir kere vurarak belirli bir enerjiyi kazandırması gibi

düşünülebilir. Şekil 1.6.’ da bir parçacığın dairesel bir hızlandırıcıya girişi ve

hızlanması gösterilmiştir.

10

Şekil 1.6. Sinkrotron parçacık hızlandırıcılarının temel çalışma prensibi

Enerji arttıkça mevcut olan rezonansı sürdürmek için boşluk boyunca sahip olunan ac

gerilimi artırılmalıdır. Aynı zamanlı olarak, Bununla birlikte sinklotron tarzı

hızlandırıcı sistemlerinde yarıçapı sabit tutmak için manyetik alan da koşulların

değişimine göre artırılmalıdır.

Şekil 1.7. Avustralya sinkrotron hızlandırıcısına ait çalışma şeması

Evrende var olan Temel parçacıkların üretimi metotlarını ve bu temel parçacıların

kendi aralarında olan ve madde ile olan etkileşimlerini incelemek için günümüz

11

dünyasında her geçen gün daha yüksek mertebelerde bir enerji seviyeleri arayışında,

proton sinkrotronu birincil hızlandırıcı olmayı sürdürmektedir.

1.3. Bremsstrahlung Fotonları ve Foton Demetinin Gömülmesi

1.3.1 Bremsstahlung foton

X ışınları 1895 de W.C Röntgen tarafından keşfedilmiştir. Karakteristik çizgisel

spektrum ve sürekli spektrum hakkında çalışmalarının başlaması ise 18 yıl sonra

gerçekleştirilmiştir. Sürekli spektrum için Sommerfeld W.C. Röntgen’in de kabul

etmesi ile yavaşlama radyasyonu anlamına gelen “Bremsstrahlung” ismini

vermiştir. Đngiliz ve Alman literatüründe “Bremsstrahlung” kelimesinin kullanımı

Pratt ve Feng tarafından başlatılmıştır (Prat ve Feng, 1985).

1932 yılının başlarında Scherzer tarafından önerilen, yayınlanan foton ve çıkan

elektronlara yönelik çeşitli deneylere rağmen temel bremsstrahlung üretimi işlemine

yönelik ilk matematiksel çalışmalar ve deneyler Nakel tarafından 1966 yılınında

gerçekleştirilmiştir. Elektron-elektron bremsstrahlung işlemine yönelik ilk düzenli

deneysel işlemler ise 1972 yılı başlarında Nakel ve Pankau tarafından yapılmıştır.

Bremsstrahlung’a yönelik teorik işlemlerin çoğu o yıllarda fizik’te meydana gelen ve

önemli kilometre taşı olma özelliklerini bulunduran bazı genel gelişmeleri takip etti.

Bremsstrahlung işlemine yönelik atılan ilk adımlar klasik elektrodinamik işlemleri

temellerine dayanıyordu. Temel üretime yönelik ilk kuantum mekaniksel tesir kesiti

formülizasyonu 1931 de Sommerfeld tarafından rölativistik olmayan dipol

yaklaşımlarında türetilmiştir. Dirac teorisinin ortaya çıkması ile birlikte gelen

süreçte, Bethe ve Heitler 1934 de ilk rölativistik bremsstrahlung yaklaşımını elde

ettiler. Bathe-Maximon tarafından yürütülen ve Coulomb dalga fonksiyonu

(Sommerfeld-Maue fonksiyonu) esasına dayanan rölativistik tesir kesiti

hesaplamaları 1954 yılında yılında yüksek enerji değerlerinde, küçük açı yaklaşımı

göz önünde bulundurularak yapıldı.Mutlak dalga fonkisyonlarını içeren en iyi

teorinin açıkladığı nicelik perdelenmiş çekirdeğin coulomb alanında bulunan bir

12

elektrondur. Bu yöntem kısmi dalganın genişlemesi yoluyla matris elemanın geniş

sayısal hesaplamalarını gerektirir (Bethe ve Heitler, 1984).

Elektron’un bir atomdan saçılması sırasında ortaya çıkan foton formundaki

radyasyona “bremsstrahlung” adı verilir.

Şekil 1.8. Bremsstrahlung radyasyon oluşumu

Bremssrahlung’un kelime anlamı Almancada frenleme radyasyonu ya da

yavaşlamadan dolayı meydana gelen ivme değişikliğinden dolayı ortaya çıkan

radyasyon anlamına gelmektedir. Bremsstrahlung’un doğada kendiliğinden oluşması

işleminin ilgi çekiciliğinin dışında, fizik alanında neden bu kadar önemli bir yere

sahip olduğunu açıklayıcı çeşitli sebepler de mevcuttur. Bremsstrahlung, fiziğin

hemen her branşında kendine uygulama alanı bulmuştur. Bu alanlardan bahsedecek

olursak, atom fiziği, nükleer fizik, katı hal fiziği, temel parçacık fiziği gibi branşlar

bremsstrhlung ile yakından ilgili başlıca branşlardır. Astrofizik alanında çok geniş bir

yere sahip olan bremsstrahlung, bir çok teknik uygulama alanlarında da önemli bir

yere sahiptir.

Deneysel ve teorik uygulamaların birbiri ile kıyaslanması işleminin bir çok bölümü,

yavaşlayan elektronların var olma durumunu hiç sayarak, sadece yayınlanan

fotonların göz önüne alındığı durumlar için yapılmıştır. Diğer yandan bremsstrahlung

fotonları, yavaşlayan elektronların sabit bir yöne saçılması esnasında tesadüfen tespit

edilmiştir. Bu andan itibaren bremsstrahlung hakkında bilinen genel tanımlamalar ve

13

teorik çalışmalarla deneysel çalışmaların uyumluluğu daha da artmış ve teorik

öngörüler daha mümkün hale gelmiştir.

1.3.2 Bremsstrahlung fotonlarının gömülmesi

Belirli bir enerjiye sahip ve belirli bir hıza ulaştırılmış elektron ışın demetleri belirli

bir kalınlıkta metal yapılardan oluşmuş (Alüminyum, Altın v.s) hedefler üzerine

saptırılıp ve bu hedeflerle etkileşime uğradığında ‘Bremsstrahlung’ denilen

elektromanyetik radyasyon çıkışı gözlenir. Genel olarak alüminyum’dan yapılmış bir

kolimatör vasıtası ile polarize edilmiş fotonlar seçilir. Foton demet gömüsü (photon

beam dump), bremsstrahlung deney alanında meydana gelecek olan, foton geri

saçılmasından ve nötron yayımlanmasından kaynaklanan fon radyasyonun etkisini en

aza indirerek radyasyon güvenliği ve geri saçılan parçacıkların detektörler ile

etkileşimini engelleyerek deney sonuçlarının tutarlılığını sağlar.

Şekil 1.9 bremsstrahlung fotonlarının foton demet gömüsü içerisinde

gerçekleşebilecek olası davranışlarının simülasyonudur.

Şekil 1.9. Foton demet gömüsünün genel yapısı (HZDR,2010)

Daha önceden çeşitli kod sistemleri ile ve programlar yardımı ile gerekli

optimizasyon işlemleri yapılarak geometrik dizaynı tasarlanmış olan Foton demet

gömüsü, fotonların geri saçılma etkisini en aza indirmelidir. Fakat nötron üretimi

14

kaçınılmaz bir hal aldığı takdirde birincil amaç ortaya çıkacak olan nötronların

detektör’e ulaşmasını engellemektir.

Foton demet gömüsü soğurganlık özelliği iyi olan belirli maddelerden ve bazı temel

gereksinimlerin karşılanmasından sonra oluşturulabilir. Bu gereksinimler

durdurulacak foton’un enerjisi, geri saçılmada ortaya çıkacak olan parçacıkların türü

ve nicelikleri ile birlikte değişiklikler gösterebilir. Gereksinimlerde bazıları (γ,n)

reaksiyonları sonucunda ortaya çıkacak olan nötron yayılımı için yüksek bir enerji

eşiğidir. Ayrıca , (γ,n) reaksiyonları için tesir ketsinin küçük tutulması, göz önüne

alınacak başlıca etkenlerden bir tanesidir. Elektron-Pozitron çift oluşumun minimize

edilmesi için küçük değerlerdeki atom numaraları tercih edilir. Ortamda bulunan bir

pozitronun imhası, her biri 511 keV seviyesinde 2 adet foton üretir. Compton

Saçılması tarafından genişleyen ışın demeti (beam) için yüksek yoğunlukta elektron

demeti de konsept açısından ihtiyaç duyulan temel gereksinimlerdendir.

Foton demeti, hedef etkileştikten hemen sonra, kullanım alanına göre bir alüminyum

veya polietilen boru yardımı ile foton demet gömüsü içerisinde taşınacaktır. Bu

taşıyıcı boruların parametrelerinin belirlenmesi (çap, kalınlık v.s) foton demet

gömüsü tasarımı ve geometrik yapısı ile de ilişkilidir.

1.4. Fotonlar

X-ışınları, gama ışınları ve bremsstrahlung radyasyonu, elektromanyetik radyasyon

olarak düşünülür. Fotonların elektriksel yükleri olmadığı için yüklü parçacıklarda

olduğu gibi Coulomb kuvvetine maruz kalmazlar. Bu durumda madde içerisindeki

atomları iyonlaştırmadığını düşünmek yanlış olacaktır. Gerçekte, fotonlar

elektromanyetik kuvvet taşıyıcılarıdır ve madde ile iyonlaşmayla ve ortama enerji

depolamayla etkileşme yaparlar. Kısaca, fotonların (x-ışınları, gama ışınları) madde

içerisindeki davranışları yüklü parçacıklarınkinden oldukça farklıdır. Özellikle gama

ışınları, atomun elektronları ile etkileşmelerinde, enerjisinin büyük bir kısmını hatta

tamamını bir tek olayda kaybedebilir. Gama ışınlarının yüklü parçacıklarınki gibi

menzilleri yoktur.

15

X- ve gama ışınları madde içerisinden geçerken çeşitli etkileşmeleri yaparlar

*Fotoelektrik olay

*Compton saçılması

*Çift oluşum

Şekil 1.10. Fotonların enerjilerine bağlı olarak farklı maddeler ile etkileşimi

1.5. Foton Madde Etkileşimlerinin Teorisi

Fotonlar (özellikle x ve gama ışınları gibi yüksek enerjili fotonlar) madde ile temelde

üç farklı etkileşimde bulunurlar. Bunlar fotoelektrik olay, Compton saçılması ve çift

oluşum olayıdır. Bu etkileşimlerin kendi içindeki farlılıkları olsa da, sonuçta foton

girdiği ortamda enerjisinin tamamını ya da bir kısmını bırakmaktadır. Etkileşim

mekanizmaları aşağıda anlatıldığı gibidir.

16

1.5.1 Fotoelektrik olay

Belirli bir enerjiye sahip olan fotonlar, madde içerisinde ilerlerken elektronlara

rastlayabilir ve etkileşim içerisine girebilirler. Bu etkileşim durumda foton sahip

olduğu enerjiyi elektrona aktaracaktır. Elektron aldığı enerjiyle yörüngeden ayrılarak

serbest hale geçecektir. Kazandığı enerjiyi kinetik enerji olarak kullanan elektron

madde içerisinde ilerlerken β-parçacıklarının yapmış olduğu etkileşmeleri

gerçekleştirerek sahip olduğu enerjiyi harcar. Fotoelektrik etki oluşturabilecek olan

elektromanyetik radyasyon genellikle 0,5 MeV altında bir enerjiye sahiptir.

Şekil 1.11. Fotoelektrik olay

1.5.2 Compton saçılması

Fotonun madde ile etkileşmesinde en iyi anlaşılan mekanizmalardan birisi Compton

saçılmasıdır. Bu olay fotonun serbest bir elektronda esnek saçılmasıdır. Tabi ki

elektronlar madde içinde bağlı durumdadır. Fakat, eğer fotonun enerjisi elektronun

bağlanma enerjisinden yüksek ise, bağlanma enerjisi göz ardı edilip elektronun

serbest olduğu düşünülür. Gelen foton atomik bağlanma enerjisinin önemli olduğu

enerjiye (100 keV altı) sahipse bu olay gerçekleşemez.

Fotonun saçılma açısı fotondan elektrona aktarılan enerji miktarına bağlıdır.

Compton saçılması tesir kesiti yaklaşık olarak hv

Z≈σ ile verilir. Foton enerjisinin

17

0.1 ile 10 MeV olduğu aralıkta ortamda enerji depolanmasında Compton saçılması

baskın olur.

1.5.3 Çift oluşum

Foton yeterli enerjiye sahip olduğunda, madde tarafından soğurulur ve zıt elektrik

yüklü parçacıklar meydana getirir. Kısaca, çift oluşum fotonun elektron-pozitron

çiftine dönüşmesidir. Bu olay, momentum korunumunu sağlamak için üçüncü bir

cismin varlığında meydana gelir. Pozitronun kütlesi elektronun kütlesine eşit

olduğundan, elektron-pozitron çift oluşumu için eşik enerjisi

MeVcmhve

02.12 2=≈ olacaktır.

Şekil 1.12. Çift oluşum

Çift oluşum tesir kesiti Z2 ile değişir, burada Z ortamın atom numarasıdır. Çift

oluşum eşikten hızlıca yükselir ve foton enerjilerinin 10 MeV den büyük olduğu

durumlarda enerji kaybı mekanizmalarında baskın olur. Çok yüksek enerjilerde

(>100 MeV), elektron-pozitron çifti tesir kesiti azalır ve ortamın radyasyon

uzunluğuna eşit olan sabit soğurma katsayısı ile ifade edilir. Bu oluşan pozitronlar

madde içerisinde ilerlerken elektronlar gibi iyonlaşmaya ve radyasyona enerji

kaybederler. Pozitron kinetik enerjisinin çoğunu kaybettikten sonra bir elektron

yakalayarak pozitronyum diye adlandırılan hidrojen benzeri bir atom meydana

getirir. Hidrojen atomunun aksine pozitronyum atomu kararsızdır ve 10-10 sn yarı-

18

ömre sahiptir. Dolaysı ile, pozitronyum atomu bozunarak (anhilasyon) iki foton

meydana getirir. Bu yok olma işlemi zıt yönlü eşit enerjili iki foton meydana getirir.

Fotonların her biri enerji-momentum korunumu nu sağlamak için 0.511 MeV lik

enerjiye sahip olmalıdır.

1.5.4 Foton demet gömüsünde kullanılan malzemeler

Belirli bir enerji değerine ulaşmış elektron demeti radyatör üzerine yönlendirilerek

oluşturulan bremsstrahlung fotonlarının gömülmesi işleminde kullanılan bir deneysel

araç olan foton demet gömüsü için materyal seçiminde belirli kriterler göz önüne

alınmalıdır. Bu kriterlerden bazıları seçilecek malzemenin karakteristik yapısına

göre, oluşacak fon radyasyonunu en aza indirecek, oluşacak nötronların detektör

bölgesinde kadar ilerleyerek, deney detektörleri ile etkileşmesini engellemektir.

Bremsstrahlung fotonlarının gömülmesi işlemi için, foton demet gömüsü içerisinde

kullanılacak belli başlı materyaller Polietilen, Kadmiyum ve Kurşun dur. Bu

malzemeler gömü içerisinde simülasyon çalışmaları gerçekleştirildikten sonra belirli

aralıklarla konumlandırıldıktan sonra kullanılan bremmstrahlung fotonlarının gömü

işlemi için kullanılacaktır.

Polietilen (PE)

Polietilen malzemesi, etilenin polimerizasyonu ile üretimi gerçekleştirilen (C2H4)n

formülüyle ifade edilen termoplastik bir polimerdir. Bunun yanında etilen, çok az

oranda etanolün katalitik dehidrojenasyonu ile de elde edilebilir. Polietilen yakın

tarihlere kadar, daha çok plastik hammaddeleri olarak bilinmekteydi. Esasenetilenin

polimerizasyonu 1930’lu yılların başında, Đngiltere’de yapılmıştır. Đlerleyen

zamanlarda teknolojide geliştirilen yeni metotlar sayesinde bu plastik maddeden

tekstil alanında faydalı biçimde kullanılabilecek lif üretme olanakları yaratılmıştır.

Bugün yaratılan bu metotlara göre, polietilenin üretimi şöyle sınıflandırılır:

1- Yüksek Basınç Polietileni – Alçak Yoğunluk Polietileni

( 0.910 – 0.925 g/cm3 )

19

2-Orta Basınç Polietileni – Orta Yoğunluk Polietileni

( 0.926 – 0.940 g/cm3 )

3-Alçak Basınç Polietileni – Yüksek Yoğunluk Polietileni

( 0.941 – 0.965 g/cm3 )

Şekil 1.13. Polietilen malzeme

Elde edilen polietilenin molekül ağırlığı birkaç binden başlayarak milyonları geçer.

Đstenilen molekül ağırlığında elde edilebilen polietilenin sertlik ve kristallik gibi

özellikleri molekül ağırlığına bağlı olarak farklı değerler alabilir. Kristalleşme

derecesi yükseldikçe, dayanma gücüde buna bağlı olarak yükselen değerler alır.

Mineral ve bitkisel yağları absorbe eder. Polietilen liflerine güve ve benzeri böceklerin

zararı görülmez. Mikroorganizmalara karşı dayanıklıdır. Boyayı pek tutmazlar.

Pigmentasyon prosesi ile boyanmaları daha uygundur.

Polietilenin bazı özellikleri katkı maddeleriyle farklı durumlara getirilebilir. Bu

değişim sayesinde polietilenin kullanıldığı alanlar daha da arttırılmış olur. Polietilen

film olarak ambalaj sanayinde, çeşitli malzemelerin saklanması, kırılmaması, su

almaması ve korunması maksadıyla kullanılır. Enjeksiyon kalıplama, hem alçak, hem

de yüksek yoğunluk polietileni için en büyük kullanma alanıdır. Alçak yoğunluk

polietileni yumuşak ve katılığın, yüksek yoğunluk polietileni sertlik ve yüksek direnç

isteyen yerlerde kullanılır.

20

Kadmiyum (Cd)

Sembolü “Cd” olan metalik bir elementdir. Friedrich Stromeyer 1817’de, çinko

karbonatın rengini sarartmak için uğraşırken, kadmiyumu keşfetmiştir. Kadmiyum

ismini, eskiden çinko cevheri için kullanılan kadmia kelimesinden almıştır.

Temel karakteristik özellikleri yumuşak, maviye yakın bir metaldir. Nemli havada

yavaş yavaş oksitlenir, oksit kararlı olup, metali kaplar. Periyodik cetvelde IIB

grubunda bulunur.

Atom numarası 48 ve atom ağırlığı 112,40’tır. Kadmiyum atomunda elektronların

orbitallere dağılımı (Kr) 4d 10 5s 2 dir. Oldukça elektropozitiftir. Bileşiklerinde (2+)

değerlikli haldedir. Tabiatta en çok bulunan Cd 110 ve Cd 114 izotoplarıdır. Bilindik

test numunelerinde, bu izotopların her birinden % 12 ilâ 24 arasında bulunmaktadır.

Şekil 1.14. Kadmiyum

Kadmiyum 321°C’ de erir, 767°C’ de kaynar. Erime gizli ısısı 13.2 cal/gr’dır. Gizli

buharlaşma ısısı ise yaklaşık 286,4 cal/gr’ dır. Yoğunluğu 8,65 g/cm3tür. Büküldüğü

zaman kalaya benzer ses çıkarır. Hegzagonal kristal yapısına sahiptir. Birçok

bakımdan çinkoya benzerlik gösterir. Kalevilerde (bazlarda) çözünmez.

21

Kadmiyum cevheri çinko ihtiva eden kurşun ve bakır minerallerinde de bulunur. Saf

kadmiyum tabiata bulunmaz. Kadmiyum mineralde bulunan saf metallerin elde

edilmesinde yan ürün olarak elde edilir. Meselâ çinko elde edilirken, kadmiyum da

yan ürün olarak üretilir.

Kurşun (Pb)

Kurşun, bir element olarak bilinmesi çok eski tarihlere dayanan, dokuz kimyasal

elementten biri olan, yumuşak ve ağır bir metaldir. Sembolü, Latincedeki

“plumbum” den dolayı “Pb” olarak bilinir. Kurşun elementi fiziksel olarak, yumuşak,

mavimsi gri olup, yeni döküldüğünde veya kesildiğinde parlak bir hal alır. Ancak

hava ile temas ettiği anda rengi mat bir görüntü alır. Sanayi atmosferinde koyu gri

veya siyaha yakın tonlara döner. Kurşun yumuşak yapısından dolayı çivi ile

çizilebilir ve kolayca kesilebilir.

Şekil 1.15. Kurşun

Periyodik tabloda IVA grubunda bulunur. Atom numarası 82, atom ağırlığı

201,19’dur. Pb 114 – Pb 214 arasında izotopları vardır. Doğal kurşunda % 1,5

204Pb, % 23,6 206Pb, % 22,6 207Pb ve % 52,3 208 Pb mevcuttur. Erime noktası

327,4°C ve kaynama noktası 1750°C’ dir. Özgül ağırlığı suyunkinin 11,35 katıdır.

Altın hariç, günlük kullanılan veya çok bilinen metallerin en ağırıdır. Rahatça şekil

verilebilir ve formu değiştirilebilir. Bakırla mukayese edilirse, kurşun kötü bir ısı ve

22

elektrik iletkenidir. Ses ve radyasyon geçirgenliği de oldukça azdır. Bu durumdan

dolayı kurşun iyi bir radyasyon soğurucudur ve birçok deneysel merkezde ve

radyasyon güvenliği işleminde kullanılır.

Kurşun’un üst tabakalarında ince bir koruyucu tabaka meydana gelmesinden dolayı,

dış etkilere dayanıklıdır. Eğer bu tabaka sülfat, karbonat veya fosfat gibi çözünmez

kurşun tuzu ise, korozyona mukavemeti yüksektir. Diğer taraftan, eğer nitrat ve

asetat gibi çözülebilir kurşun tuzu örtü olarak meydana gelirse korozyona karşı

mukavemet düşük değerlerde olur.

1.6. Türk Hızlandırıcı Merkezi Bremmstrahlung Deney Alanı

Türkiyede medikal alanda ve diğer bazı alanlarda kullanılan hali hazırda bir çok

küçük ölçekli hızlandırıcı sistemi mevcuttur. Fakat AR-GE çalışmalarında

kullanılacak büyük enerji değerlerine sahip bir hızlandırıcı sistemi mevcut

bulunmamaktadır. Bu sebepten dolayı Ankara Üniversitesi koordinatörlüğünde

yürütülen DPT (Devlet Planlama Teşkilatı)-YUUP (Yaygınlaştırılmış Ulusal ve

Uluslararası Projeler) projesi ile Türk Hızlandırıcı Merkezinin adıyla ülkemizde

hızlandırıcı sistemlerine dayalı Ar-Ge amaçlı ilk tesisin hayata geçirilmesi

öngörülmüştür. 1997-2005 yılları arasında Türk Hızlandırıcı Merkezinin fizibilite ve

içerik tasarımı çalışmaları tamamlanmıştır.

Bu projenin yürütücülük görevini üstlenmiş olan Ankara Üniversitesi, hızlandırıcı

teknolojileri ve uygulamaları konusunda ortak çalışmalar yapmak hedefinde

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

ortaklık anlaşmaları imzalamıştır.

23

Şekil 1.16. Türk hızlandırıcı merkezi bina iç planlaması (THM, 2010)

YUUP projesi kapsamında kurulacak ilk tesis bir IR SEL laboratuarıdır. Türk

Hızlandırıcı Merkezinin Test Laboratuarı olarak planlanan IR SEL tesisi; 10 - 40

MeV enerjili elektron demeti, iki salındırıcı ve iki optik ayna sisteminden

oluşmaktadır ve IR SEL laboratuarında 2 - 250 mikron dalga boyu aralığında SEL

(serbest elektron lazeri) üretimi yapılması planlanmaktadır. IR SEL laboratuarında

foton diyagnostiği amacıyla kullanılacak olan 8 adet deney istasyonunun kurulması

planlanmıştır.

1.6.1 Bremsstrahlung tesisi

Türk hızlandırıcı merkezi projesi kapsamında çeşitli teknik komiteler ve çalışma

alanları belirlenmişdir. Bu komiteden bir tanesi de Bremsstrahlung teknik

komitesidir.

24

Şekil 1.17. TARLA şematik gösterimi (THM, 2010)

Bremsstralung deney bölgesinin bina içerisinde konumlandırılma işlemi, SEL üretim

alanına paralel olarak planlanmıştır. Bunun nedeni Bremsstrahlung deney hattında

yapılacak olan çalışmalar için gerekli elektron demetlerinin şekil 1.17.’ de görüldüğü

üzere linak tan döndürülerek Bremsstrahlung deney alanına gönderilecek olmasıdır.

Linaklar dan 20 + 20 MeV enerjili elektron demeti ayrılması ve bremsstrahlung

deney bölgesine gönderilmesi deneysel işlemler açısından önem arz etmektedir.

Elektronların bu yön değişimi bazı 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).

25

2. KAYNAK ÖZETLERĐ

2.1. Enerjik Fotonların Gömülmesi Đşlemi

Bremsstrahlung foton kullanan az sayıda merkez olduğundan literatürde bu çeşit

çalışma fazlaca bulunmamaktadır. ELBE (Electron Linac for beams with high

Brilliance and low Emittance) hızlandırıcı merkezinde nükleer fizik alanına yönelik

yapılan çalışmalarda üretilen bremsstrahlung fotonları, nükleer spektroskopi

çalışmalarında kullanılmıştır. Geri saçılan fotonlardan oluşacak fon radyasyonunu

minimize etmek amacı ile ikincil foton demetinin deneysel hedefi geçtikten hemen

sonra ortamdan kaldırılması gerekir. Bu konuya yönelik birkaç yöntem ve

simülasyon çalışması GEANT programı ile yapılmıştır. Belirli parametreler göz

önüne olarak yapılan bazı simülasyon çalışmalarında geri saçılan fotonların deney

alanında minimize edildiği görülmüştür.

Şekil 2.1. Birincil absorblayıcı maddeler için yapılan simülasyon çalışmaları

(Wagner v.d., 2001)

26

Ayrıca yine bu çalışmada oluşturulan foton demet gömüsü içerisinde parçacıkların

dağılımı, hangi noktada tam olarak absorbe edildiği, hangi tür parçacıkların foton

demet gömüsü içerisinde yayılım sergilediği de GEANT program kodu ile

hesaplanmış ve görsel olarak belirtilmiştir (Wagner et al., 2000).

Şekil 2.2. Foton demet gömüsü içerinde parçacıkların dağılımının simülasyonu

(Wagner v.d., 2001)

2.2. ELBE Süperiletken Elektron Hızlandırıcısında Foton Saçılması

Deneyleri

Polarize bremsstrahlung fotonlarının üretimine yönelik süperiletken elektron

hızlandırıcısı Forschungzentrum Rossendorf da inşa edilmiştir ve üretim işlemlerine

başlanmıştır. Tasarım esnasında göz önüne alınan parametreler ve simülasyonu

yapılan çalışmalar geri saçılan fotonlardan dolayı oluşacak fon radyasyonunu ve

nötron üretimini minimum düzeye indirmekti.

27

Şekil 2.3. ELBE süperiletken elektron hızlandırıcısı ve bremsstrahlung deney alanı

(HZDR, 2010)

Geri saçılan fotonlardan oluşacak fon radyasyonu seviyesini büyük seviyelerde

azaltacak olan foton demet gömüsü 60 x 60 x 100 cm³ ebatlarında birincil polietilen

absorblayıcı, bu polietilen yapının etrafını saran 0.5 mm kalınlığında kadmiyum (Cd)

folyo ve 10-20 cm arasında değişen kesit kalınlıkları ile oluşturulmuş kurşun blok

kaplamalarla tasarlanmıştır. Foton demet gömüsünden ortama ulaşan geri saçılmaya

28

ait spektrumlar ve deney bölgesindeki fon radyasyonunun değişimi aşağıdaki gibidir.

(R. Schwengner et. Al., 2005)

Şekil 2.4. 9 MeV lik elektron demeti için foton gömüsünden saçılan parçacıklara ait

spektrum (Schwengner v.d., 2005)

Şekil 2.5. 9 MeV lik elektron demeti için deney alanındaki fon radyasyonu

(Schwengner v.d., 2005)

29

Verilen spektrumlardan birincisi, kurşun hedeften meydana gelen saçılmalara yönelik

simülasyon sonuçlarını, ikincisi işe hedefin bulunmadığı fakat deney alanında

meydana gelen fon radyasyonunun değişim grafiğini vermektedir. Bu çalışmadan

sonra foton gömüsüne gönderilen parçacıkların sadece % 0.3 lük bir bölümünün geri

saçıldığı görülmüştür. Yapılan bu çalışma GEANT3 program kodu ile yapılmış ve

ELBE süperiletken elektron hızlandırıcısı merkezinde, bremsstrahlung foton

üretimine yönelik yapılan ilk çalışmadan önce, foton demet gömüsünün

parametreleri ve optimizasyonunda kullanılmıştır (Schwengner v.d., 2005).

30

3. MATERYAL VE YÖNTEM

Hızlandırıcı teknolojileri ile yapılan çalışmalar öncelikli olarak teorik hesaplamaların

yapılması ve yapılan bu çalışmaların deneysel çalışma ortamlarına aktarılması

esasına dayanır. Teorik çalışmalarda önem arz eden bir konuda yapılan

simülasyonlardır. Çeşitli kodlar kullanılarak yapılan çalışmalar esnasında deneysel

ortamda kullanılacak parametrelerin hepsi, bilgisayar ortamında çalışılacak kod

sistemine tanıtılarak olası sonuçlar hakkında bilgi sahibi olunur. Hızlandırıcı

teknolojileri ile yapılan çalışmalar esnasında parçacığa ait enerji, parçacığın türü,

miktarı, parçacığın alacağı yol miktarı, demet genişliği, ne tür etkileşmelerin

izlenmek istediği ve simülasyon sonucunda nelerin elde edilmek istendiği gibi ve bir

çok parametre simülasyon çalışmalarında kullanılan girdilerden bir kaçıdır.

3.1. Materyal

3.1.1 EGSnrc kod sistemi

EGS (Electron Gama Shower) kod sisteminin en güncel sürümü olan EGSnrc Monte

Carlo kodu, NRC (National Research Council) tarafından kullanıcılara sunulmuştur.

EGSnrc kullanım açısından esnek bir kullanıcı ara yüzüne sahip standart ve alt

programlardan oluşan bir pakettir. EGSnrc sahip olduğu esnek kullanıcı ara yüzü ile

birlikte kullanıcı, standart kod bölümünün büyük oranda gerek hissetmeden programı

kolayca kullanabilmektedir. EGSnrc program kodu, Fortran dilinin Mortran 3

geliştirilmiş koduyla meydana getirilmiştir. Bu kod da, elektron, foton ve

pozitronların taşınmasında materyaller olarak element, bileşik ve karışımları simüle

edilebilir. Programın diğer bir özelliği ise fotonlar, elektronlar ve diger yüklü

parçacıkların random adımlarla taşınması sağlanabilir. EGSnrc Monte Carlo kodunda

simüle edilen foton etkileşmeleri; compton saçılması, fotoelektrik olay, çift oluşum,

koherent (rayleigh) saçılma, atomik relaksasyon sonucu K, L, M kabuklarından

yayınlanan floresans X-ısınları ile Auger ve Coste-Kroning elektronlarıdır. Simüle

edilen elektron etkileşmeleri ise Bremsstrahlung, iki foton pozitron-elektron

annahilasyonu, Rutherford elastik saçılması, çoklu elektron saçılmaları ve kesikli in-

31

elastik saçılmalar; Moller saçılması Bhabha saçılmalarıdır. EGS programı, yapılan

modellemelerde kullanılan materyallerin etkileşim tesir kesiti bilgilerini üretmek için

PEGS4 (EGS işlemci) kullanır (Aydoğdu, 2009 ).

3.1.2 Geant4

Geant4 (Geometry And Tracking) programı Monte Carlo metodu vasıtası ile temel

parçacıkların madde içerisinden geçişinin simulasyonuna yönelik çalışmalarını

gerçekleştiri. Başlangıçta, Geant4 programı yüksek enerji fiziği deneyleri için

tasarlanmıştır, ancak son yıllarda nükleer fizik, hızlandırıcı fiziği, medikal ve uzay

bilimi gibi diğer birçok alan da kullanıma sahiptir.

Parçacık sıfır kinetik enerjiye ulaşıncaya kadar veya bir etkileşme sonucu yok

oluncaya kadar,parçacığın madde ve dış elektromanyetik alanlarla etkileşmelerini

dikkate alarak adım adım parçacğın taşınımını yapar.Taşınımın başında,sonunda

taşınımdaki her bir adımın bitiminde, parçacık, detektörün duyar hacmine girdiği

durumda,kullanıcının taşınım sürecine erişmesine ve simulasyon sonuçlarını

almasına olanak sağlar. Bunlar “Kullanıcı Eylemleri (User Actions) “ olarak

adlandırılır. Kullanıcı sınıfları kendi arasında 2 sınıfa ayrılır bunlardan birincisi

‘Zorunlu Sınıflar’ ikincisi ise ‘Eylem Sınıflarıdır’.

Zorunlu sınıflar bir simülasyon çalışması yapılırken yazılması gereken başlıca

bölümlerdir. Bunlar; G4VUser Detector Construction, G4V User Physics List,

G4VUser Primary Generator Action bölümleridir. Bu bölümlerde genel olarak

simülasyona ait temel bilgiler, geometrik dizaynlar ve simülasyona ait fiziksel

niceliklerdir. Eylem sınıfında ise temel özelliklere ek olarak kullanıcı taleplerine

yönelik işlemler yapılır. Parçacığın özel olarak yapması gereken bir durum, belirli

bir anda parçacığın izlenmesi, belirli bir andan sonar işleme ait parametrelerin

değişmesi gibi özellikler ise bu bölümde belirtilir.

32

3.1.3 3ds max tasarım programı ve foton demet gömüsü tasarımları

Bremsstrahlung fotonları için yapılacak olan demet gömüsü tasarımları 3ds max

programında yapılmıştır. 3ds Max Autodesk tarafından geliştirilen bir 3D (3

Dimension) modelleme, görselleştirme ve animasyon programıdır. MSDOS

ortamında çalışan 3D Studio yazılımının devamı niteliğini taşıyan 3ds Max'in son

sürümü, 2010 yılında çıkan 3ds Max 2011'dir. Gelişmiş eklenti desteği ve kolay

kullanımı ile 3ds Max, 3D modelleme yazılımları arasında en geniş kullanım alanına

sahip uygulamalardan bir tanesidir. Film özel efektleri, mimari sunumlar ve

endüstriyel tasarım sunumları gibi alanlarda da yaygın olarak kullanılmaktadır.

3ds Max ayrıca poligonal modelleme, NURBS modelleme, yüzey modelleme gibi

teknikleri destekler. 3ds Max'in animasyon kontrolleri ile nesnelerin tüm özellikleri,

materyaller, kameralar, ışıklar ve çevre özellikleri zaman içinde değiştirilebilir

ve Curves Editor ile tüm bu özellikler üzerinde tam bir kontrol sağlanabilir. Değişken

grafiklerinin bezier eğrileriyle kontrol edilebildiği bu editör ile karmaşık

animasyonların üstesinden gelmek mümkündür. 3ds Max, animasyon için klasik

anahtar kare yöntemini kullanır. Zaman doğrusu içinde farklı noktalarda verilen

değerler arası geçişi otomatik olarak yapar ve Curves Editor ile bu geçişlere ince

ayarlar yapılmasına olanak verir. Ters Kinematik çözümleyicisi ile birbirleriyle

bağlantılı hareket eden objeler arası ilişkiler kolayca çözümlenir ve kare anahtarlama

yöntemi ile kompleks mekanizmaların animasyonu yapılabilir. Ayrıca, pozisyon,

bakış, yüzey, bağlanma, tutunma ve yönelme kısıtlayıcılarıyla gelişmiş animasyonlar

yapılabilir. Animasyon için kullanılabilecek diğer özellikleriyse uzay saptırıcıları ve

niteleyicilerdir. Uzay saptırıcıları kendilerine bağlanan objelere, bükme, patlatma,

rüzgar ve yerçekimi gibi etkileri uygularlar. Niteleyiciler ise modellemede

kullanıldıkları gibi animasyon için de objeleri zaman içinde değiştirmede

kullanılabilirler. 3D Studio Max dünyada en çok kullanılan üç boyutlu grafik ve

animasyon programıdır. Üç boyutlu programlar ile filmlerde ve reklamlarda

gördüğünüz birçok görsel efekt yapılabilir. Bu alandaki diğer programlardan en çok

33

kullanılanlar Maya , LightWave, SoftImageXSI 'dir. Bu programların birçok ortak

yönü ve birini diğerine üstün kılan ince noktaları vardır (Autodesk, 2011).

3.2. Yöntem

Farklı türde değişkenler alınarak, parçacık taşınması ile ilgili fiziksel değişkenlerin

gerçek değerlere uygun seçimi gerçekleştirilir. Parçacığın iki etkileşim arasında

aldığı mesafe ortalama serbest yol, etkileşim türü ve etkileşim sonrası yayınlanan

ikincil parçacıkların ve fotonların çıkış açıları rastgele olarak simüle edilir. Monte

Carlo yöntemi temelde istatistikî bir yöntemdir. Temel prensibi, bir sistemi ya da bir

olayı oluşturan çok sayıdaki öğenin sonuçları önceden öngörülemeyen davranışları

ya da etkileşimleri olasılık hesapları ve rast gele sayı üretilmesi ile ortaya konmasıdır

(Camgöz, 2008).

3.2.1 Simülasyon

Simülasyon programlarının temelde yaptığı iş, maddesel bir ortamda foton

taşınmasının simüle etmektir. Đlk olarak belirli enerji değerine sahip fotonu

kaynaktan çıkarır ve çıktığı andan itibaren o fotonu takip etmeye başlar. Foton

kaynaktan çıktıktan sonra enerjisini, program kodunda belirtilen enerji değerine

inene kadar takip edilir. Programında yapılan bu işlem her bir foton için bağımsız

olarak gerçekleştirilir. Bir foton her bir etkileşimden sonra enerjisini periyodik olarak

biraz daha azaltır. Fotonların bu taşınma işlemi, fotonun enerjisi “kesme” değerinin

altına düştüğünde sonlandırılır ve yeni bir parçacık taşınmaya başlar. Foton’un

maddesel ortam ile yapacağı etkileşimler radyasyonun enerjisine bağlı olarak, türüne

ve soğurucu ortamın özelliklerine bağlı olarak bir olasılık faktörü sergiler. Belirtilen

koşullar altında belli bir radyasyon ve etkileşim için bir reaksiyon tesir kesiti vardır

ve bu bir olasılığın (reaksiyonun gerçekleşme olasılığının) bir ölçütüdür. Foton

ortama girdiği andan itibaren meydana gelebilecek fiziksel olaylar önceden

belirlenemez (Camgöz, 2008).

34

3.2.2 BEAM nrc monte carlo simülasyonu

BEAM nrc elektronlar ve fotonların taşınması EGSnrc Monte Carlo kodunu baz

alınarak gerçekleştirmektedir. Hızlandırıcının modellenmesi, hızlandırıcıyı oluşturan

bileşenlerin seçimiyle başlar. Bu sebepten dolayı, bileşenlerin boyutlarını, oluşturan

materyalleri ve net olarak konumlarını mümkün olduğu kadar kesinlikte model

yapmak üzere tanımlanabilir. Simülasyon ortamında yapılan hesaplamaları gerçek

hayata bağlayan tek şey olan tesir kesitleri hızlandırıcıyı oluşturan her materyalin

tesir kesiti ise EGSnrc kodu için PEGS4 verisi tarafından sağlanır (Aydoğdu, 2009).

Şekil 3.1. Hızlandırıcı simülasyonu yapmak için gereken tüm adımların sistematik

şeması (Aydoğdu 2009)

BEAMnrc simülasyonu Şekil 3.1’de şekilde görüldüğü gibi ilk olarak simüle

edilecek hızlandırıcının alt bileşenleri belirlenir. Daha sonra bilgisayar dilinde

derleme işlemi yapılarak tasarlanan hızlandırıcı programda çalıştırılacak hale gelir.

En son adımda ise adımda gerekli simülasyon paremetreleri hızlandırıcı geometrisi,

35

tesir kesiti verileri, gelen demetin enerjisi ve biçimi belirlenip simülasyon programı

çalıştırılmaktadır. Simülasyon bittiğinde hastaya ulasan parçacıkların türünü,

doğrultusunu ve enerjilerini barındıran phase space dosyası elde edilerek analiz

programlarında oluşan phase space dosyasını girdi olarak kullanarak DOSXYZnrc ile

sudaki doz dağılımı, beamdp programı ile çıkış spektrumları elde edilmektedir (G.

Aydoğdu, 2009).

36

4. ARAŞTIRMA BULGULARI VE TARTIŞMA

Bu bölümde bremsstrahlung foton demet gömüsü için yapılan 2 farklı tasarım ve bu

tasarımlara ait simülasyon sonuçları verilmiştir. Ayrıca tasarımlara ait geometrik

dizaynlar 3 ds Max programı ile görselleştirilerek bu tez çalışmasında sunulmuştur.

Bremsstrahlung foton demet gömüsü tasarımlarından birincisi genel olarak

dikdörtgensel bir geometriye sahip olup, ikinci yapılan tasarım ise silindirik bir

geometriye sahiptir.

4.1. Dikdörtgen Geometriye Sahip Foton Demet Gömüsü

Bremsstrahlung foton demet gömüsüne yönelik yapılan dizayn çalışmalardan bir

tanesi fotonların gömülmesinde dikdörtgensel bir geometriye sahip, kurşun-

polietilen-kadmiyum malzemelerinin kullanıldığı gömü tasarımıdır. Đlk olarak foton

demet gömüsü tasarımının geometrisi belirlenerek simülasyonlarda kullanılmak

üzere programa tanıtılmıştır. Dikdörtgen geometriye sahip foton demet gömüsü için

ilk olarak, gömü malzemelerinden bir tanesi olan kurşun (Pb) kalınlıkları

belirlenmiştir.

Şekil 4.1. Demet gömüsünün kurşun (Pb) kalınlıkları

37

Ayrıca foton gömüsü tasarımında kullanılan bir diğer madde olan polietilen (PE) ve

kadmiyum (Cd) kalınlıkları da tasarımda belirlenen diğer parametrelerdir.

Şekil 4.2. Polietilen malzeme ve kadmiyum kalınlıkları

Yapılan geometri belirleme çalışmalarının ardından, bu parametreler yapılacak

simülasyon işleminde kullanılmak üzere programa tanıtıldı. Böylece simülasyon

esnasında bremsstrahlung fotonlarının gömüleceği son hedef olan foton demet

gömüsünün dizayn girdileri ebat olarak belirlendi.

Foton demet gömüsüne gönderilecek olan bremsstrahlung fotonlarına ait temel

parametreler parçacık sayısı 1000000 ve parçacık cinsi foton olarak belirlendikten

sonra, çizgisel bir demet geometrisi seçilerek gömü üzerine gönderilmiştir. Parçacık

sayısı ve parçacık cinsi her ölçümde sabit tutulmuş olup demet enerjisi 4 farklı ölçüm

için 4 farklı değer almıştır. Bu enerji değerleri 10 MeV, 20 MeV, 30 MeV ve 40

MeV lik değerlere sahiptir.

38

4.1.1 Dikdötgen geometriye sahip foton demet gömüsüden geri saçılma

spektrumları

Đlk olarak bremsstahlung foton demet gömüsü üzerine 10 MeV lik bir foton demeti

gönderilerek oluşan geri saçılmalar hesaplanmıştır. Oluşan bu geri saçılmalar foton

demet gömüsünün dış yüzeyi ve demet gömünün içerisinden detektöre ulaşabilecek

olası saçılmalardır.

Şekil 4.3. 10 MeV lik foton demeti için geri saçılma spektrumu

Parçacık kaynağından gönderilen foton demetine ait enerjinin 10 MeV olarak

seçildiği ve foton demet gömüsünden, deney alanına geri saçılan parçacıklara ait

spektrumda, yaklaşık 10000 keV enerji değerine kadar parçacıkların saçıldığı

görülmüştür

39

Ayrıca geri saçılan parçacık sayısı ile geri saçılan parçacığa ait enerji arasında ters

orantının olduğu ve düşük enerjide çok parçacık saçılırken, yüksek enerjilerde bu

sayının giderek azaldığı görülmüştür. Aynı işlem 20 MeV, 30 MeV ve 40 MeV lik

foton demeti enerjisinde sahip parçacıklar için gerçekleştirilmiştir.


Başlangıçta bremsstrahlung foton demet gömüsüne gönderilen 10 MeV lik enerji

değerinden yukarılara çıkıldıkça geri saçılan parçacıklara ait sayı ve enerji değerleri

farklılıklar göstermiştir. Bu farklılıklar son geri saçılan parçacığa ait enerji değerine

bakılınca daha açık görülmektedir.

40


Bütün hesaplamalar esnasında geri saçılan parçacığa ait enerji ve parçacık sayısı

değişimi ters orantılı olarak elde edilmiştir. Yapılan 4 farklı enerji değerindeki

simülasyon çalışmasında gönderilen parçacıkların 1000000 adet olduğu düşünülürse

ortalama olarak gönderilen parçacıkların % 0.1 lik bir bölümü geri saçılmıştır.

Dikdörtgensel geometriye sahip foton gömüsü tasarımında bremsstrahlung

fotonlarının % 99.9 luk bir bölümü gömülmüştür.

41


4.1.2 Dikdörtgen geometriye sahip foton demet gömüsü için 3 ds Max çizimleri

Parametreleri belirlenen ve simülasyon esnasında programa girdi olarak verilen

bremsstrahlung foton demet gömüsünün geometrik ölçüleri göz önüne alınarak 3

boyutlu dizayn programı olan 3 ds Max de çizimleri yapılmıştır.

42

Şekil 4.7. Dikdörtgen geometrideki foton demet gömüsü 3 ds Max Tasarımı 1

Şekil 4.8. Dikdörtgen geometrideki foton demet gömüsü 3 ds Max tasarımı 3

43

Şekil 4.9. Dikdörtgen geometrideki foton demet gömüsü 3 ds Max tasarımı 4

4.2. Silindirik Geometriye Sahip Foton Demet Gömüsü

Bremsstrahlung foton demet gömüsüne yönelik yapılan dizayn çalışmalardan bir

diğeri ise fotonların gömülmesinde silindirik bir geometriye sahip, kurşun-polietilen-

kadmiyum malzemelerinin kullanıldığı bir gömü tasarımıdır. Tasarımda kullanılan

malzemeler açısından dikdörtgen geometriye sahip foton gömüsü tasarımı ile aynı

tipte malzemeler kullanılmıştır. Fakat kullanılan malzemelerin formu ve ebatları

dikdörtgen geometriye göre farklılıklar göstermiştir.

44

Şekil 4.10. Silindirik geometriye sahip foton demet gömüsünün kurşun (Pb) yapısı ve ölçüleri

Şekilde gösterilen silindirik foton gömüsüne ait kurşun (Pb) yapının temel

parametreleridir. Silindirin yarıçapı yaklaşık 40 cm dir. Kurşun yapının içerisine

konuşacak polietilen (PE) malzemeye ait geometrik ölçüleri ise aşağıdaki gibidir.

Şekil 4.11. Silindirik geometriye sahip foton demet gömüsünün polietilen (PE) yapısı ve ölçüleri

45

Geometri ölçülerini belirleme çalışmalarının ardından dikdörtgensel foton demet

gömüsünde yapılan çalışmaların aynısı, silindirik geometriye sahip foton demet

gömüsü tasarımı içinde yapılmıştır. Foton demet gömüsü üzerine gönderilen demetin

enerjisi 4 farklı değer için değiştirilip parçacık sayısı dikdörtgensel foton demet

tasarımında olduğu gibi sabit tutulup 1000000 adet alınmıştır. Parçacıkların foton

demet gömüsünde geri saçılmaları 4 farklı değer için hesaplanmış ve bu değerler 10

MeV, 20 MeV, 30 MeV ve 40 MeV olarak alınmıştır. Ayrıca dikdörtgensel foton

demet gömüsü tasarımında olduğu gibi 0.5 mm kalınlığındaki kadmiyum (Cd) folyo

ile polietilen yapı kaplanmıştır.

4.2.1 Silindirik geometriye sahip foton demet gömüsüden geri saçılma

spektrumları

Dikdörtgensel geometriye sahip foton demet gömüsü tasarımında olduğu gibi

parçacıkların sayısı ve foton demeti özellikleri sabit tutularak enerji değişimleri

yapılmış ve foton demet gömüsünden detektör bölgesine ulaşabilecek olası geri

saçılmaların miktarı hesaplanmıştır. Foton demet gömüsünün geomtrik dizaynı

silindirik foton demet gömüsü geometrik ölçüleri göz önüne alınarak simülasyonda

girdi olarak kullanılmıştır. ilk olarak 10 MeV değerindeki foton demeti bir kaynaktan

foton demet gömüsüne gönderilmiş ve meydana gelen geri saçılmaların miktarı

hesaplanmıştır. Đlk tasarımın simülasyon çalışmalarında olduğu gibi parçacık sayısı

ile parçacığın sahip olduğu enerji miktarının ters orantılı olarak değiştiği

görülmüştür.

46


10 MeV lik foton demetinin foton demet gömüsünden geri saçılmasında, maksimum

enerjiye en son geri saçılan parçacığın enerjisi 10000 keV ’i geçememiştir.

47



48

Silindirik geometriye sahip foton demet gömüsü tasarımında foton demet enerjisinin

artması ile birlikte geri saçılan parçacıkların enerjilerinde bir artış görülmüştür.

Dikdörtgen geometriye sahip foton gömüsü tasarımında olduğu gibi geri saçılan

parçacık sayısı azaldıkça enerjilerindeki bir artış, silindik geometriye sahip foton

gömüsü tasarımına yönelik yapılan simülasyon çalışmalarında da meydana gelmiştir.


4.2.2 Silindirik geometriye sahip foton demet gömüsü için 3 ds Max çizimleri

Silindirik foton demet gömüsü için yapılan simülasyon çalışmalarında programa

girdi olarak verilen bremsstrahlung foton için silindirik demet gömüsünün geometrik

ölçüleri göz önüne alınarak 3 boyutlu dizayn programı olan 3 ds Max de çizimleri

yapılmıştır.

49

Şekil 4.16. Silindirik geometrideki foton demet gömüsünün 3 ds Max tasarımı 1

Şekil 4.17. Silindirik geometrideki foton demet gömüsünün 3 ds Max Tasarımı 2

50



51

4.3. Her Đki Foton Demet Gömüsüne Ait Geri Saçılma Spktrumlarının

Karşılaştırılması

Bremsstrahlung fotonlarının elde edilip gerekli deneysel çalışmadan sonra

kullanılmasının ardından, fotonların gömüleceği yer olan foton demet gömüsüne ait

yapılan çalışmalar farklı 2 geometri için yapılmıştır. Bunlarda bir tanesi

dikdörtgensel geometri, diğeri ise silindirik geometrideki foton demet gömüsüdür.

Her iki geometriye ait yapılan simülasyon çalışmalarında parçacık sayısı sabit

tutulmuş 1000000 adet alınmıştır. Bunu dışında foton demetinin yarıçapı, geometrik

formu gibi özelliklerde simülasyon çalışmalarında sabit tutulmuş ve her bir

simülasyon için aynı değerleri almıştır. Değişken unsurlar ise foton demet gömüsü

üzerine gönderilen parçacıklara ait enerji değerleridir. Her iki foton demet gömüsüne

ait yapılan simülasyon çalışmalarında enerjiler sırası ile 10 MeV, 20 MeV, 30 MeV

ve 40 MeV lik değerler alarak ayrı ayrı foton demet gömüsünden meydana gelen

saçılmalar hesaplanmıştır. Ayrıca her iki geometride aynı olan enerji değerlerine ait

spektrumların karşılaştırmaları da yapılmıştır.

Şekil 4.20. 10 MeV lik parçacık enerjisi için geri saçılma spektrumlarının karşılaştırılması

52



53


Bremsstrahlung fotonlarının gömülmesi işleminde kullanılacak olan foton demet

gömüsüne ait tasarım çalışmaları ve bu çalışmalara ait deneysel verilerin

karşılaştırılması ile geri saçılma miktarları arasındaki farkın izlenmesi amaçlanmıştır.

10 MeV, 20 MeV, 30 MeV ve 40 MeV için yapılan simülasyon çalışmalarının her iki

geometride enerji değeri olarak alınması ve her birinin iki farklı geometrik

dizayndaki spektrumlarının karşılaştırılması sonucunda, değerler arasında büyük

ölçüde bir farkın olmadığı görülmüştür.

54

5. SONUÇ

Dünyanın bir çok ülkesinden hali hazırda mevcut bulunan parçacık hızlandırıcısı

tesislerinin büyük bir kısmında bremsstrahlung foton elde edilmesine ve bu

bremsstrahlung fotonları ile bazı deneysel çalışmalarının yapılmasına yönelik

çalışmalar mevcuttur. Ülkemizde kurulum aşamasında olan Türk Hızlandırıcı

Merkezinde kurulacak olan sistemlerden bir tanesi olan bremsstrahlung foton

tesisindeki deneysel cihazlardan birisi de, bremsstrahlung fotonları ile yapılan

deneyler sonrasında bu fotonların güvenli bir şekilde gömülmesi işlemine yönelik

olarak, foton demet gömüsüdür.

‘Bremsstrahlung Foton Demetinin Gömülmesi için Parametrelerin Belirlenmesi ve

Tasarlanması’ isimli bu yüksek lisans tezinde farklı 2 geometride tasarım yapılıp bu

tasarımlar simülasyon programlarına tanıtılmıştır. Daha sonra simülasyon

programları ile 10 MeV, 20 MeV, 30 MeV ve 40 MeV enerjideki foton demetleri,

gömü üzerine gönderilmiş ve detektör bölgesine doğru ikincil parçacıkların geri

saçılması hesaplanmıştır. Yapılan her iki tasarımda da iyi bir gömü yüzdesi elde

edilmiş, parçacıkların detektörler ile etkileşimi minimize edilip, deney tutarlılığının

yüksek olması sağlanmıştır. Daha sonra simülasyonda kullanılan ölçüler 3 ds Max

programı ile modellenmiştir.

Bremsstahlung fotonları için demet gömüsü kapsamında oluşturulan dikdörtgensel

geometrideki foton demet gömüsünün kolay kurulumu ve daha sonraki süreçte

enerjideki değişimlere paralel olarak gömü yüzdesinin artırılma gereksiniminde

eklenebilecek materyallerin kolay monte edilmesi açısından silindirik geometriye

göre daha kullanılabilir ve uygun bir tasarım olduğu anlaşılmıştır.

55

6. KAYNAKLAR

Akkurt, Đ., Tekin, H. O., Demirci, Z. N., Demir, N., Yegin, G., 2010. TARLA’da Bremsstrahlung Foton Deney Hattı.Adım Fizik Günleri Afyon.

Autodesk, 2010. Resmi internet Sayfası. http://www.turkey.autodesk.com/. Erişim Tarihi: 10.03.2011.

Aydoğdu G., 2009, Radyoterapide Kullanılan Lineer Hızlandırıcıların Bilgisayarda

Modellenerek Çıkış Spektrumlarının Đncelenmesi Celal Bayar Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi 24-28.

Bethe H. and Heitler W., 1984 Proc. Royal. Soc. London A 146 – 83. Camgöz B. ,2008 Düşük Doz Hızlı (I-125, Pd-103) Brakiterapi Kaynaklarının

Geometrisindeki Değişikliklerin Doz Dağılımına Etkisinin EGSnrc Monte Carlo Kodu Kullanılarak Đncelenmesi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 18-32.

Carleton University, 2009. Resmi Đnternet Sayfası. http://www.carleton.ca. Erişim Tarihi: 20.12.2010. Haug E. ve Nakel W.., The Elementary Process of Bremsstrahlung World Scientific

Lecture Notes in Physics – Vol. 73 sayfa 1-18. Heitler W. 1984 The Quantum Theory of Radiation, Dover Publications INC. New

York ISBN 0-486-64558-4. HZDR, 2009. Helmholtz Zentrum Dresden Rossendorf Dresden – Germany.

www.hzdr.de. Erişim Tarihi : Aralık 2010. Krane K. S. Nükleer Fizik 2. cilt, 2002, 571 s, Ankara. Scherzer O., Ann. Phys. ,1984 (Leipzig) 13 – 137. Pratt R.H. and Feng I. J., 1985 In Atomic Inner-Shell Physics, edited by Bernd

Crasemann (Plenum Publishing Corporation,) sayfa. 533. Rusev G.Y, , 2008 Dipole- Strength Distributions Below the Giant Dipole Resonance

in some Mo isotopes, Wissenschaftlich-Technische Berichte, PhD. Thesis. FZD-478.

Schilling K.D., Dönau F., Grosse E., Kaubler L., Schwengner R., Wagner A.,

Wustmann B., Lehnert U., Nowak A., Rimarzig B., Schlenk R., ,2003 Radiator fort he Production of Bremsstrahlung at ELBE . Wissenschaftlich-Technische Berichte FZR-372 sayfa 30.

56

Schwengner R., Sharma H., Wagner A., ,2002 A Polarisation Monitor for

Experiments with Bremsstrahlung at ELBE Wissenschaftlich-Technische Berichte FZR- 341 sayfa 39.

Schwengner R., Beyeri R., Dönau F., Grosse E., Hartmann A., Junghans A.R.,.

Mallion S, Rusev G., Schilling K.D., Schulze W., Wagner.A., 2005 The Photon-Scattering Facility at the Superconducting Electron Accelerator

ELBE. Nucl. Inst. Meth., sayfa 211. SLAC National Accelerator Center Resmi Đnternet Sayfası.

http://www.slac.stanford.edu Erişim Tarihi: 14.02.2011. Türk Hızlandırıcı, 2009. Merkezi Projesi resmi internet sitesi www.thm.ankara.edu.tr Erişim Tarihi: 10.11.2010.

Wagner A.,Dönau F., Grosse E., Kaubler L, Schilling K.D., Schwengner R.,W. Schulze, 2001, A Beam Dump fot Energetic photons. Wissenschaftlich-Technische Berichte FZR-319, sayfa 40.

Wagner A., Fan S., Barz H.W., Grosse E., Schwengner R.,2001, Calculation the

Spectral Distribution of Bremsstrahlung. Wissenschaftlich-Technische Berichte FZR-319 sayfa 38.

57

ÖZGEÇMĐŞ

Adı Soyadı : Hüseyin Ozan TEKĐN

Doğum Yeri ve Yılı: Malatya 1987

Medeni Hali: Bekar

Yabancı Dili: Đngilizce

Eğitim Durumu

Lise: 20 Mayıs Vakfı Turgut Özal Lisesi 2004

Lisans: Süleyman Demirel Üniversitesi 2009

Çalıştığı Kurum/ Kurumlar ve Yıl: Süleyman Demirel Üniversitesi Senirkent

Meslek Yüksek Okulu 2009-Halen

t.c. sÜleyman dem Đrel Ün Đvers Đtes Đ fen …tez.sdu.edu.tr/tezler/tf01640.pdfradyo frekans...

Documents