Nötron Taraması Nedir?

Farkındaysanız bir süredir nötronlara takıntı yapmış durumdayım.

Nötronlardan bahsetmişken içim rahat etmedi, yazılar hep teorik bazda ve uzaydaki nötronlarla ilgili oldu, aklıma bu nötronların pratik bir takım faydaları var mı acaba diye bir soru takıldı.

Bende açtım interneti ve biraz daha şu nötron konusunu inceleyeyim dedim.

***

Ancak nötronların direk pratik faydalarına girmeden önce maalesef biraz daha teorik bazda ilerlememiz gerektiğini anladım.

Çok aklınızı bulandırmak istemiyorum, ancak bu bilgiler olmadan da pratikte nötronlarla ne yapabileceğimizi anlamamız mümkün değil gibi geliyor bana.

O yüzden biraz daha sabır diyorum ve az biraz daha nötronlar üzerine bilgi aktarmak istiyorum.

Önce neydi nötronların fiziksel özellikleri onu bir hatırlayalım. 

Nötronlar elektriksel olarak yüksüz atom altı parçacıklardı ve manyetik momentumları olduğu için manyetik alanlardan etkileniyorlardı.

Esasen (artı) beta bozunumu ile proton ve elektronun birleşiminden oluşuyorlardı.

Ancak bunu dünyada yapabilmemiz mümkün olmadığı için eğer nötron elde etmek istiyorsak bizim elementlerin içindeki hazırdaki nötronlardan faydalanmamız gerekiyor.

Ancak öyle her elementin içindeki nötronu da çekirdeğinden kopartmak, çıkartmak kolay değil. 

Hazır radyoaktif elementler var, ancak onlarda öyle radyoaktif ışınım yaptıklarında ortama serbest nötron salmıyorlar.

Radyoaktif elementlerden daha çok:

1. Alfa ışınımı dediğimiz ışınımla alfa parçacığı salınıyor, yani helyum atomunun çekirdeği oluyor bu alfa parçacığı. İki proton ve iki nötrondan oluşan, ama elektronu olmayan helyum atomu çekirdeği.

2. Ya da beta ışınımı dediğimiz önceki yazılarımdan hatırlayacağınız elektron salınan ışınım var. Tabii bu temel parçacık yanında karşı nötrino dediğimiz temel parçacık da salınıyor bu ışınımda. Çünkü kaynağı eksi beta bozunumu olam bu ışınım çekirdekteki fazla nötronların bozunumuyla oluşuyor. Bu ışınımda çekirdekten fazla olan bir nötron protona dönüşerek radyoaktif element bir başka elemente dönüşüyor ve açığa çıkan elektron da ışınım yapıyor. Yüksek enerjiyle çekirdekten kurtulan elektron çekirdek etrafında yörüngede kalamıyor, ve ışınım yapıyor.

3. Bir de gama ışınımı var, ama gama ışınımı da sadece radyoaktif maddenin çekirdeğindeki fazla enerjinin enerji paketleri halinde açığa salınması demek. Yani gama ışınımında çekirdekte bir değişiklik olmuyor. Ancak gama ışınımları oldukça enerji seviyesi yüksek bir ışınım olduğu için önüne ne gelirse parçalama tehlikesi içeriyor.

Bunlar radyoaktif bir elementin kendi kendine yapabileceği ışınımlar.

Bize ise nötron ışınımı gerekli.

Evet, radyoaktif maddelerden nötron ışıması da olabiliyor, ancak bu sadece dış bir etki ile olabiliyor.

4. Dolayısıyla nötron ışınımını da dördüncü tip çekirdek ışınımı olarak düşünebiliriz. Kendiliğinden nötron ışınımı yapan çeşitli elementlerin izotopları da var. Ancak bu izotopların yaşam süreleri oldukça düşük olduğu için nötron üretimi için elementlerin izotoplarını kullanmak mümkün olmuyor diye biliyorum.

Nötron üretimi için en çok kullanılan yöntemlerden biri Berilyum atomuna (Be, atomik numarası 4 olan, kütle numarası da 9 olan element, yani çekirdeğinde 4 proton, 5 de nötron olan element) alfa ışınımı uygulamak. 

Bu arada berilyum radyoaktif bir element değil!

Alfa parçacığı helyum atomumun çekirdeği olduğu için sonuçta 2 proton ve 2 nötrondan ibaret bir ışınım ve radyoaktif elementler kendi kendilerine bozunurken (bu bozunmaya yarı ömür deniyor!) bu parçacıkları salıyorlar. Alfa parçacığı bulmak tehlikeli ama nispeten daha kolay. 

İşte 2 protonlu helyum çekirdeği ile 4 protonlu Berilyum atomları çekirdeği bombardıman altına tutulduğunda ortaya 6 protonlu karbon atomu çıkıyor. 

Biliyorsunuz kararlı bir karbon atomunun çekirdeğinde 6 da nötron oluyor. Yani normal bir karbon atomunun periyodik tabloda kütle numarası 12 olarak gösteriliyor. Tabii karbonun da birçok elementte olduğu gibi izotopları var. Karbon 14 bunlardan biri. Ama kararlı konumda karbon atomu karbon 12 olarak biliniyor.

Bizim elimizde ise iki alfa parçacığından, 5 de berilyum atomundan olmak üzere 7 adet nötron var bu işlemde.

Bu durumda bombardıman neticesinde bir adet nötron boşa çıkıyor ve berilyum elementi karbona dönüşürken bir yandan da nötron ışıması yapıyor.

He + Be => C + n

***

Bir başka nötron elde etme yöntemi de başlangıcında yine radyoaktif elementler gerektirmeyen bir yöntem.  

Bu cıva elementi kullanılarak nötron elde etme yöntemi.

Bu sefer pozitif yüklü proton bombardımanına tutulan cıva atomları parçalandığında nötron demetleri salıyorlar.

Parçalanma (Spallation Nötron Kaynağı, SNK) yöntemi de denilen bu yöntemde kullanılan protonlar pozitif yüklü hidrojen iyonları. 

İyon, yani elektrondan arındırılmış hidrojen atomu bu işlemde kullanılan protonların kaynağı.

Protonlar elektriksel alan içerisinde hızlandırılarak cıva çekirdeğini (Hg, atomik numarası 80 olan element) bombardıman ile parçalıyorlar ve bu da oldukça çok kullanılan bir yöntem. 

Aynı zamanda enerjisi oldukça yüksek olan gama ışınımı da yapan bu yöntem nötron üretimi için tercih edilen yöntemlerden biri olarak biliniyor.

***

Evet, sanırım buraya kadar her şey normal, bir şekilde tercih ettiğimiz yönteme göre nötron elde ettik diyebiliriz. 

Peki eğer pratikte bir fayda istiyorsak devamında ne yapacağız bu nötronlarla?

Nötronlar elektrik yükleri olmasa da manyetik alanlardan etkilendikleri için artık nötronları manyetik alanlarla hızlandırmak ya da yavaşlatmak mümkün.

Nötronlar elektriksel olarak yüksüz parçacıklar oldukları için atom çekirdeklerine kadar ulaşabiliyorlar ve çeşitli maddelerde oldukça derin ve kalın tabakalara kadar nüfuz edebiliyorlar.

İşte bu sayede de aslında elektron bombardımanı ile elde edilen X ışınlarından (röntgen) çok daha derinlere ulaşmak ve daha da önemlisi bir şeyin iç yapısını üç boyutlu olarak tespit etmek nötron ışıması ile mümkün oluyor. 

Üstelik içine bakılan o şeyin ne tip farklı maddelerden oluştuğu bilgisayar ortamına aktarılarak renkli ekran görüntülerine dönüştürülebiliyor.

X ışınları da (röntgen ışınları) enerjisi çok yüksek ışınlar, ancak nötron ışıması maddelerde çok daha derinlere ulaşabiliyor. Bu sayede de çok daha büyük şeylerin incelenmesi mümkün oluyor.

Mesela nötron taraması denilen bu yöntem ile çok eski zamanlara ait bulunmuş bir fosil taşının içindeki fosil taşı kırmadan incelenebiliyor. 

Eğer bu taşın içinde hayvan kemikleri ya da hayvan dişleri varsa mesela, bu kemiklerin taş kırılmadan üç boyutlu görüntüsü bilgisayar ortamına aktarılabiliyor. 

Sonra da bilimsel açıdan üzerinde gerekli çalışmalar yapılabiliyor.

Bu yöntem bilim dünyasında bir devrim kabul ediliyor.

Üstelik bu cihazlarda hareket halindeki nötron demetinin hızı oldukça yavaşlatıldığı için atomik düzeyde fosilin atomlarının çekirdeğine nötronların zararlı bir etkisi de olmuyor.

Normal şartlarda kaynağından çıkan nötronların hızı biyolojik açıdan oldukça zararlı.

***

Bu aşamada nötronların atom çekirdeğine ne gibi etkileri olabileceğine de kısaca değineyim isterseniz.

Nötron demetinin hızına bağlı olarak aslında nötron ışıması oldukça tehlikeli olabiliyorlar.

Atom bombaları sonuçta nötron bombardımanına tutulan uranyum atomumun bu sayede parçalanması ile bir bomba etkisi yapmasını sağlıyor biliyorsunuz. Bu ilk parçalanma sonrasında zincirleme nükleer tepkime başlıyor!

Ancak nötron demeti yeterince yavaşlatılırsa çekirdeğe çarptığında bilardo topları gibi çekirdeğe sadece momentum aktararak yoluna devam edebiliyor. 

Tabii ki bu çarpışmada yönü değişiyor ve zaten nötron taramasında bu şekilde yavaşlatılmış nötronlarla maddelerin iç yapıları tespit edilebiliyor. Algılayıcılara direk ulaşan nötronlarla yansıyan nötronların ortaya koyduğu şekil inceleme yapılan maddelerin üç boyutlu görüntülerinin elde edilmesini sağlıyor.

Nötronların hızları biraz daha yüksekse, çarptırılan maddeye bağlı olarak atom çekirdeğinde alfa, beta ya da gama ışımasına sebep olabiliyor. 

Biraz daha hızlı bir nötron demeti mesela o maddenin çekirdeğine dahil olup o elementin bir izotopunun oluşmasına sebep olabiliyor. 

İzotop bildiğiniz gibi çekirdeklerindeki proton sayıları aynı olsa da, farklı nötron sayıları ile atom ağırlığı değişen aynı elementlere verilen tanımdır. Biraz yukarıda karbon atomunun karbon 14 izotopundan bahsetmiştim.

Biraz daha hızlı bir nötron demeti olduğunda ise çekirdeğe çarptığında çekirdekten bir nötron kopartıp o nötronun yerine kendi geçebiliyor. Bu durumda o madde nötron ışıması yapıyor diyebiliriz.

Daha da hızlı bir nötron bombardımanı ise işte atom bombalarında olduğu gibi çekirdeği parçalıyor. 

Eğer çekirdeği parçalanan atom bir uranyum atomuysa parçalanma esnasında açığa çıkan ek nötronlar sayesinde zincirleme reaksiyon başlatılmış oluyor ve sonuç atom bombası patlaması oluyor!

Yani nötron taraması yapan cihazlar çok hassas ayarları olan cihazlar. Nötronların hızları inceleme yapılan maddelerin atom çekirdeklerine zarar vermeyecek derecede düşürülmüş olmalı. Yoksa sonuçta nötron ışınımı oldukça tehlikeli bir ışınım türü.

Yine de x ışınları ile alışık olduğumuz röntgen taramasından bir üst teknoloji olarak tarama yapabildikleri için artık hayatımıza girmeye başladı nötron taraması yapan cihazlar diyebilirim. 

***

Bilmiyorum, bizim havaalanlarımızda ya da hastanelerimizde kullanılmaya başlandı mı nötron tarayıcılar, ama özellikle büyük boyutlu kargoların taranmasında yurtdışındaki havalimanlarında bu cihazlar kullanılmaya başlanmış.

Ben oldukça faydalı olan bu yeni tarama yönteminin eğer kullanılmıyorsa bizde de kullanma girmesinde fayda olduğunu düşünüyorum.

X ışınlı tarayıcılar bekli küçük boyutlu bagajlarda işe yarıyordur, ama daha büyük boyutlu kargolarda x ışını tarayıcıların çok işe yaramadığını biliyorum. 

Eğer konu güvenlik ise mecburen daha derinlemesine tarama yapan nötron tarayıcılar ile kargoların incelenmesi gerekli bence.

Hatta gümrük kapılarında otomobil ile geçişlerde bile otomobili komple tarayabildiklerinden bahsediyorlar internetteki videolarda.

Aynı şey yat limanları girişlerinde yatların taraması amacıyla da kullanılabiliyormuş.

Yani artık dünyada uygulamaları var nötron tarayıcılarının.

***

Bakın düşününce benim aklıma olası bir inşaat uygulaması geldi şimdi.

Bizde daha çok sonar sistemle yapılan taramalar kullanılıyor. (Ses taraması!)

Sonar tarama yerine depreme dayanıklılığı açısından binalar da nötron tarayıcılarla taranabilir ve renklendirme özelliği sayesinde de mevcut binanın taşıyıcı sistemi içindeki demirleri, kiriş ve kolonları boyutları ile birlikte bilgisayara üç boyutlu olarak aktarılarak yeni yönetmeliklere göre hesabı tekrar yapılabilir.

Binanın depreme dayanıklı olup olmadığı bu şekilde binaya hiç bir zarar vermeden rahatlıkla tespit edilebilir bence.

Deprem sonrasında varsa çatlaklar da böylece çok daha rahat tespit edilebileceği için deprem sonrası bina hasarlarının tespiti için de bu yöntem kullanılabilir.

Ben meslektaşlarımın bu konuyu incelemesinde fayda olduğunu düşünüyorum. Hem zararsız bir inceleme yöntemi hem de bence o kadar da masraflı bir yöntem değil sanki bu dediğim.

Belki gerçekten inşaat uygulaması da yapılmıştır bu cihazların. Ben rastlamadım ama gerçekten birileri bu dediğimi düşünmüş olabilirler.

***

Sanırım nötron konusunu bu şekilde tamamlamış oluyoruz. 

Nötronların başka pratik kullanım alanları var mıdır tam olarak bilmiyorum, ancak bu tarayıcıların prensipte sanırım tıpta röntgen ve MR cihazlarının yerine geçme potansiyelleri var gibime geliyor benim.

Belki de ultrason cihazları yerine de kullanılmaları mümkün olabilir. 

Ancak nötron demetlerinin hızlarının insan sağlığına zarar vermeyecek düzeyde düşürülmesi gerekecektir mutlaka.

Belki de bu mümkünse gerçekten röntgen cihazları tarihe bile karışabilir. 

Çünkü insan bünyesinin ancak belli bir oranda x ışını kabul edebilmesi mümkün, x ışınları direk radyoaktif ışınım olmasalar da, özellikle fazla maruz kalındığında hücrelerimizdeki DNA zincirini kırabildikleri için kanser olma tehlikesi içeriyorlar.

Hatta dış ülkelerde herkesin hastanelerde doktorunun üzerine kayıt düştüğü özel x ışını kayıt defterleri oluyor. Bizde var mıdır bilmiyorum.

Diş röntgeni bile bir dereceden sonra sağlık açısından tehlikeli bildiğim kadarıyla.

Ayrıca kanser demişken belki de kemoterapi yöntemi de nötron terapi yöntemi ile değiştirilebilir bir gün ve nötron ışınımı kanser tedavisinde de kullanılabilir belki.

Bunlar benim aklıma gelen pratik uygulamalar.

***

Evet, yine bilimle kalın diyerek bitireyim bugün de yazıyı.

Daha başka bilim konularına da bakıyorum, umarım faydalı oluyordur bu tarz yazılar.

Moskova’dan herkese sevgi ve saygılarımla.