MERAK ETTİĞİMİZ GEZEGEN “MARS” ve LAZER SPEKTROSKOPİSİ
Yrd. Doç. Dr. Kemal Efe Eseller
Atılım Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi
Bilim insanları, evrende gerçekleşen olayları merak ettiği sürece hayatı kolaylaştıran yeni
buluşlara ulaşacak ve her geçen gün bilime daha fazla katkı sağlayacaklardır. Amerikan Havacılık
ve Uzay Ajansı (NASA), Mars gezegenine gönderdiği Curiosity (merak) - Rover sistemi ile
gezegende çok önceden yaşamış canlı kalıntılarını (mikroplar, tek hücreli canlılar) bulabilmek
için araştırmalar yapmakta ve gezegenin tarihi oluşumunu incelemektedir. Mars yüzeyinde,
insanoğlu için gerekli Sülfür (S), Nitrojen (N), Oksijen (O), Fosfor (P) ve Karbon (C) gibi
elementlerin varlığı ve izleri, gelecekte bu konuda yapılacak araştırma konularını
şekillendirmekte ve uygun yaşam koşullarının bulunması için zemin hazırlamaktadır.
* Curiosity-Rover, NASA JPL Araştırma Tesisleri
Curiosity; Rover (2.2m yüksekliğinde, 2.7m genişliğinde ve 3m uzunluğunda) aracı ile
taşınmakta, başlıca lazer, spektrometre, dedektör, kamera olmak üzere çeşitli algılayıcı ve
elektronik sitemlerden oluşmaktadır. Rover, fırlatma ünitesi; iki adet Atlas V-541 roketleri, 4
adet katı yakıt roket motorları, ikinci aşamada devreye giren, yakıt ve oksitleyici ünitesi ile ince
kompozit düzeneklerden oluşmaktadır. Fırlatma sonrasında roket motorları Dünya
atmosferinden uzaya geçiş sürecinde ilk itmeyi vermesinin ardından ikincil roket sistemi
uzaydan Mars’a kadar olan süreçte devreye girmektedir. Cape Canaveral Fırlatma ünitesinden
26 Kasım 2011 tarihinde Mars’a gönderilen Rover, radyoizotop güç birimi sayesinde 687 gün
süresince gelişmiş hareket kabiliyetine sahiptir. Mars yüzeyinin jeolojik koşullarına bağlı olarak
saatte ortalama 90 metre hızla hareket etmektedir. Sistem, Mars’dan Dünya’ya in situ (aynı
zamanlı) veri aktarmaktadır.*1+ Veri alımı, elementel analiz ve Lazer Spektroskopi yöntemi olan
Lazer İndüklenmiş Plazma Spektroskopisi (LIBS) ile gerçekleşmekte ve bilinmeyen elementler ve
bunların konsantrasyonları uzaktan algılanabilmektedir.
* Lazer İndüklenmiş Plazma Spektroskopisi
Lazer İndüklenmiş Plazma Spektroskopisi (LIBS), katı, sıvı ve gaz örneklerdeki farklı
elementlerin konsantrasyonunu tayin eden lazer tabanlı analiz tekniğidir.[2,3] LIBS, metal,
plastik ve organik bileşiklerin, tehlikeli ve biyolojik malzemelerin elementel analizinde milyonda
bir parçacık (ppm) tespit limitinde ölçüm yapabilmeyi sağlamaktadır. Örnek hazırlamadan
uzaktan anında element analizi yapabilen bu sistem, periyodik cetveldeki tüm elementleri
Ametallerden Halojenlere kadar tespit kabiliyetine sahiptir. LIBS sisteminde Lazer, yüksek
enerjideki lazer atma (pulse) demeti oluşturmakta ve örnekteki küçük ölçekteki parçacıkların
buharlaşmasını sağlamaktadır. Oluşan yüksek sıcaklıktaki kıvılcım, örneğin nötr, iyonize
atomlara ve elektronlara ayrışmasına ve plazma oluşumuna neden olur. Spektrumdaki atomik
çizgilerin şiddeti, toplam elementel konsantrasyonu ile belirlenebilmektedir. Yoğunlaştırılmış
(Intensified) CCD ve kontrollü (Gated) dedektör, arkaplan ve gürültünün elimine edilmesinde ve
sinyalin güçlenmesinde etkin rol oynar. LIBS sinyali, plazma oluşumunda mikrosaniye
mertebesinden sonra dedekte edilmekte, zaman ve uzaydan bağımsız ölçüm yapabilmeyi
sağlamaktadır. Plazma oluşumundan yaklaşık olarak 0,1 mikrosaniye sonra elementlerden ilk
olarak iyonik yayınım daha sonra atomik yayınım tespit edilebilmektedir.
Lazer demetinin odaklanması neticesinde hedef etrafında oluşan plazma, sıcak yoğun
ortamdan soğuk az yoğun ortama doğru hareket etmekte ve lazer soğurulması sonucunda
Brehmstrahlung ve elektron-elektron etkileşmesinden doğan sürekli radyasyon oluşmaktadır.
Plazma soğumaya başladıktan itibaren spektral çizgilere ait karakteristik radyasyon yayılmaya
başlar. Plazmada doğal çizgi, doppler, basınç ve Stark genişleme (broadening)
gözlemlenmektedir.2 Yoğun ortamda iyonlaşmış atomlar plazmaya yakın, nötr atomlar ise
plazmadan uzak noktalarda bulunmaktadır. Doğal çizgi genişlemesi, Lorentzian şeklinde olup
atomların uyarılması esnasında, Doppler genişlemesi ise düşük yoğunluktaki plazma
durumlarında gözlenmekte ve Normal (Gausiyen) dağılım göstermektedir. Elektron
yoğunluğunun yüksek olması Stark sıklaşmasını oluşturmakta ve aralarındaki bağıl orandan
faydalanarak elektron yoğunluğu hesaplanabilmektedir.4 Plazma oluşum koşullarına bağlı olarak
elektron yoğunluklarından elementlerin karakteristik ışıma kabiliyetleri kontrol
edilebilmektedir.
LIBS in kullanım alanlarından biri de günümüzde ince film kaplamaların kalınlıklarının
belirlenmesidir. Bu özellik güneş pillerinin verimliliğinin anlaşılması açısından gereklidir. Yüzey
analizi esnasında yüzey konsantrasyonu ve homojenlik tayini yapabilmesi önemlidir. Ayrıca LIBS
derinlik profili tayini ile malzemelerdeki elementlerin homojen kaplandığını analiz etmede
önemli katkı sağlamaktadır. Kimyasal, biyolojik numunelerin analizleri de LIBS kullanılarak
yapılmakta ve düşük tespit limitinde iz (trace) elementlerin tayini de gerçekleştirilmektedir.
Günümüzde en önemli tehdit unsurlardan biri olan biyolojik simulant, bakteri ve kimyasal sinir
simulantları, LIBS ile tespit edilebilmekte ve çevreye yayılımımın engellenmesi
sağlanabilmektedir. Bunun yanısıra LIBS, minerallerin “(cevher)” analizinde özellikle elektronik
endüstrisinde kullanılan birçok malzemede temel elementlerden olan Silikat, Karbonat, ve
Lityum içeren bileşiklerin tayininde de kullanılmaktadır. Tungsten ve tantalum içeren cep
telefonların, diz üstü bilgisayarların ve medikal cihazların üretim kodlarının tayininde de LIBS
kullanılmaktadır.
Mars’da yüzey hakkında bilgi edinmenin yanında, herkesin merak ettiği, canlı olup
olmadığı konusu araştırmaların yoğunluğunun artmasına ve ABD dışındaki diğer ülkelerin de bu
konuda çalışmalar başlatmasına neden olmuştur. En verimli uzaktan elementel analiz algılama
sistemi olan LIBS, gerekli bilgileri Mars’dan Dünya’ya ileterek bilinmeyen gezegen konusunda
insanoğlunu aydınlatmakta ve ileride yapılacak araştırma konularına ışık tutmaktadır. Özellikle
lazer ve algılayıcı teknolojisi geliştikçe LIBS uygulama alanları artacak ve ileride başka
gezegenlerin keşfinde de bu yöntem, büyük yararlar sağlayacaktır.
Kaynaklar:
1- http://mars.jpl.nasa.gov/msl/mission/overview/
2- Kemal E. Eseller, Markandey M. Tripathi, Fang-Yu Yueh, and Jagdish P. Singh (2010),
Elemental analysis of slurry samples with laser induced breakdown spectroscopy,
Applied Optics, 49, 13
3- J. P. Singh and S. N. Thakur, eds., Laser Induced Breakdown Spectroscopy (Elsevier,
2007)
4- Kemal E. Eseller, Fang-Yu Yueh, and Jagdish P. Singh (2011), Non-Intrusive, On-line,
“Simultaneous Multi-Species Impurity Monitoring in Hydrogen Using LIBS, Applied
Physics B, 102, 963
Download

Dosyayı İndir - Atılım Üniversitesi Açık Erişim Sistemi