Hem Kara Delik Patlamalarını Hem De Kanser Hücrelerini Gözlemlemeyi Sağlayan Kristal Sensörler
1960’larda Sovyet nükleer testlerini izleyen uydular, radyasyonun oluşturduğu devasa ve ilginç parıltılar fark ettiler. Bu parıltılar sanılanın aksine yer altından değil, uzayın derinliklerinden geliyordu. Onlarca yıl süren çalışmalardan sonra, gama ışını patlamaları veya GRB olarak da bilinen radyasyonun en enerjik formu olan bu hızlı yanıp sönmeler, kozmosun en büyük gizemlerinden biri olmaya başlamıştı. Bilim insanları bu parıltıların sebebinin, büyük bir yıldız kaymasından sonra kara deliklerden sızan güçlü gazlar ya da evrende meydana gelen bazı sıra dışı olaylar olabileceğine inanıyorlardı.
Olayları incelemek için 2004 yılından bu yana üç farklı uydu gönderildi. Alınan güncel verilere göre, Hindistan hükümeti, GE Sağlık tarafından özel olarak tasarlanıp üretilen sensörleri taşıyan Hint Astrosat’ının, GRB’lerin bilmecesini çözmede “ağız sulandıracak” gelişmeler kaydettiğini belirtti. İlginç olan ise şu: Evrendeki en uzak ve en büyük nesneleri görebilen bu teknoloji, aslında doktorların atom ve moleküller kadar küçük nesneleri gözlemleyerek insan vücudundaki hastalıkları izlemelerine yardımcı olmak için geliştirilen teknolojinin ta kendisi.
Bu teknoloji; kadmiyum, çinko ve tellür (CZT) bileşiminden oluşan yarı iletken bir kristalden yapılan sensörlerin kullanılmasıyla elde ediliyor. Bu CZT radyasyon dedektörleri, CZT’deki radyasyon emilimi tarafından üretilen elektronları toplayarak gama veya X ışını radyasyonunu doğrudan elektronik sinyallere dönüştürüyor. Bu üç element, bu iş için biçilmiş kaftan; çünkü atom sayıları yüksek. Dolayısıyla daha fazla proton tespit etmek için daha fazla radyasyon emebiliyorlar.
1940’lardan bu yana, bilim insanları yüksek atom numarasına sahip ve günlük koşullarda iyi performans gösterecek bir dedektör oluşturmak için maddelerin en uygun kombinasyonunu aradılar. CZT sensörlerinin, oda sıcaklığında elde edilen enerji çözünürlüğü ve doğal çözünürlük gibi etkili noktaları işgal ettiği uzun zamandır biliniyor. CZT dedektörü bir tek-foton sayma dedektörüdür. Bu dedektör, radyasyonu foton bazında ölçer ve milimetre kare başına saniyede birkaç fotonla başlayıp parlak siyah yüzeyinin her milimetre karesinde saniyede 10 milyon fotonun işlenmesiyle sona eren oldukça dinamik bir aralığa sahiptir.
Gel gelelim, CZT sensörlerinin yapımı oldukça zahmetli. Sensörlerin kalbindeki kristallerin büyümesi genellikle üç ay sürüyor. Bu büyüme süreci, kristallerin kullanılamayacak kadar kusurlu ve fazla kırılgan olmasına neden olabilecek karmaşık bir işlem gerektiriyor. Ne var ki GE Sağlık’ta çalışan bilim insanları, CZT sensörü yapımı için kolay bir yol buldu. CZT’leri daha hızlı ve daha güvenilir bir şekilde büyütmek için çeşitli özel yöntemler geliştirdiler. Bu yöntemlerden biri de kendi fırınlarını kurmaktı.
GE Sağlık ayrıca, bazı malzemeler çok pahalı olduğu için, işlem öncesinde veya sonrasında kullanılan malzemeyi geri dönüştürmenin yöntemini de buldu. GE, kristaller büyürken hangilerinin kusurlar geliştirebileceğini erken aşamalarda fark ederek, bu malzemeye çok fazla emek harcamadan onu yeni denemelerde tekrar kullanabilmek için geri dönüşüme aldı. Bununla beraber, dedektörleri imal etmek için kullanılan malzemelerden arta kalanlar, yeni dedektörler üretmek için geri dönüştürülüyor.
Sağlık hizmetlerinde, GE yapımı CZT dedektörlerinin üstün hassasiyeti, doktorların hasta üzerinde daha küçük radyasyon dozları kullanmalarına imkan verirken, geleneksel ekipmana kıyasla daha fazla görüntü kontrastı ve çözünürlük elde edilmesini de sağlıyor. Yakın zamana kadar, nükleer tıp benzeri görüntüler elde etmek için vakum tüpleri ve analog ekipman gerektiren sistemler kullanılıyordu. CZT dedektörlerinin tıpta kullanılması, adeta kasetçalardan dijital ses kayıt cihazına geçilmesi kadar önemli bir gelişme diyebiliriz.
GE Sağlık’taki dijital CZT dedektörleri Genel Müdürü Noam Zilbershtain, dijital CZT dedektörleriyle doğrudan dönüştürmenin, daha yüksek sayım oranları ve daha yüksek enerji çözünürlüğü sağladığını söylüyor. Bu sayede, daha iyi görüntü kontrastı, daha hızlı tarama ve çoğu zaman daha küçük boyutlu bir sensörde hastayı daha düşük radyasyon dozuna maruz bırakma gibi faydalar sağlanıyor.
Bu avantajlar, CZT tabanlı ekipmanların birkaç yıl içinde kalp görüntüleme sistemleri pazarına hâkim olmalarını sağladı; bugün ekipmanlar %90’lık bir pazar payına sahip. GE Sağlık, analog sistemlerin hala %80 pazar payına sahip olduğu genel tıbbi görüntüleme pazarında da benzer bir etki bekliyor.
Atomik radyasyon patlamalarını tespit etmek için daha iyi bir araç arayan Hindistan’daki uzay bilimciler, GE Sağlık’ın çözümlerini incelediler. Uzay için bir CZT dedektörü üretmek birkaç zorluk ortaya çıkardı. Gökyüzünü tamamen taraması beklenen Astrosat’da, avuç içi büyüklüğünden çok daha büyük bir CZT sensörüne ihtiyaç duyuluyordu. Çözüm olarak; kişisel bilgisayardaki işlem kartının birden fazla işlemciye bağlanma biçimine benzer şekilde, 64 CZT sensörü dört kadranda birleştirildi. Bu tasarımı ile Astrosat, herhangi bir zamanda uzayın üçte birinde bulunan GRB’leri tespit edebilir. CZT’lerin en iyi oda sıcaklığında çalışması sebebiyle, yörüngedeki sensörü optimum sıcaklıkta çalıştırmak için bir ısıtma ve soğutma sistemi de bulunuyor. Tüm bu özellikler, yaklaşık olarak 48 cm eninde, 48 cm yüksekliğinde ve 61 cm uzunluğunda, 55.7 kilo ağırlığında bir kutuda yer alıyor.
Astrosat tüm bu yatırımların karşılığını çok çabuk verdi. Astrosat, CZT sistemini etkinleştirdiği ilk günde Crab Nebula’dan güçlü bir GRB tespit edip ölçümledi. Bu gelişme, Avrupa Birliği ve NASA tarafından işletilen Fermi ve Smift gibi diğer GRB uyduları tarafından keşfedilemeyenlere oranla eşsiz bir başarıydı. Fermi ve Smift genel olarak GRB’lerin kaynaklandığı yerin kolayca bulunması, daha düşük enerjili GRB’lerin incelenebilmesi açısından oldukça uygun bir ortam yaratıyor. Astrosat eklenmesi, emisyon kaynaklarını saptamaya yönelik gözlemler yapılmasını ve en yüksek seviyedeki enerji patlaması aralığını tam olarak ölçebilmeyi sağlıyor.
Crab Nebula GRB’si ve Hindistan’ın uzay bilimi otoritesinden gelen bir raporda yer alan “GRB’lerin radyasyon mekanizmalarının anlaşılmasında geniş kapsamlı etkileri olacak.” ifadesi, CZT dedektörünün faydalarının heyecan verici kanıtlarıydı.
Açılan kara deliklerin ve çarpışan nötron yıldızlarının yanı sıra, ortaya çıkan alternatif bir teori de GRB’lerin aynı zamanda, son derece güçlü manyetik alanlara sahip olan manyetarlar adındaki nötron yıldızlarından meydana gelebileceğini öne sürüyor. GE ve Hindistan uzay bilimcileri, bunlardan herhangi birinin doğru olup olmadığını bulmak için planlanmış yeni nesil bir CZT sensörü içeren farklı bir uyduyu test ediyorlar. Test tamamlandıktan sonra uzaya fırlatılacak bu yeni uydu ile Büyük Patlama’dan kısa bir süre sonra evrenin oluşma potansiyeli hakkında güçlü fikirlere ulaşacaklarına inanıyorlar.