TARIFNAME sivi IÇINDEKI ZEHIRLI MADDENIN__IVIII___IMETR_E DALGA FREKANSLARINDA ÇALISAN RING REZONATORU TESPIT SISTEMI (ZETESIS) Bulusun Ilgili Oldugu Teknik Saha Mevcut bulus, elektromanyetik dalga spektrumunda milimetre dalga frekanslarinda (tercihen 1GHz-5GHz), su ve diger içilebilir sivilar içerisine karistirilmis zehirli maddelerin spektral iletim özelliklerinin, sudan ve diger içilebilir sivilardan farkli oldugunun ring rezonatörü sisteminde rezonans frekansi teknigiyle ölçülerek gösterilmesi ile ilgilidir. Teknigin Bilinen Durumu Akut zehirlenme ve yönetim yönergelerine tabi tutulan suyun güvenilirligi [1] konusu, birçok ülkenin önemsedigi konulardandir. Her geçen yil artarak, su kaynakli zehirlenme vakalari gelmesi aninda yapilmasi gerekenler ile ilgili bir takim talimatlar olusturulmustur [2]. Içme suyu kalitesinin yönetilmesi amaciyla Dünya Saglik Örgütü (World Health Organization-WHO) tarafindan 2008 yilinda "Içme Suyu Kalitesi Kilavuzu (Guidelines for Drinking-Water Quality Recommendations)" hazirlanmistir. Bunun amaci, halk sagliginin korunmasi, suyun güvenilir, yeterli, kolay erisilebilir ve tedarikinin herkese açik olmasidir. Içme suyunun kirlenmesine bagli hastaliklar, insan sagligi üzerinde büyük bir yük olusturmaktadir. Içme suyunun kalitesini artiracak müdahaleler, insan sagligina önemli faydalar saglamaktadir. Su kaynakli hastaliklardan dolayi en büyük risk altinda olanlar; bebekler, küçük çocuklar, bagisiklik sistemi zayiflayan veya sagliksiz kosullarda yasayan kisilerdir. Teknigin bilinen durumunda var olan bu dokümanda [3] açiklanan yöntemle hastalik risklerinin ortadan kaldirilmasi amaçlanmaktadir [3]. Su kaynaklari tarihin her döneminde terörist saldirilarinin hedeflerinden biri olmustur. Bu tarz saldirilarda hedeflenen; kimyasal veya biyolojik bir ajanin yerel su kaynaklarina karistirilmasi ya da boru hatlari, baraj, aritma tesisine patlayici yerlestirilerek zarar verilmesi yönünde olabilmektedir [4,5]. Sodyum siyanür de bu amaçla suya karistigi gözle tespit edilemeyen maddelerdendir. Siyanürün metabolizma üzerindeki etkilerine iliskin yapilan bir çalismada siçanlar ve maymunlara öldürücü olmayan dozlarda verilen NaCN (Sodyum siyanür) maddesinin optik sinir sistemi üzerindeki etkileri incelenmistir. Yavas yavas uygulanan NaCN dozlariyla söz konusu hayvanlarin beyin ve sinir sitemindeki degisimleri ve ne kadar sürede öldükleri gözlemlenmistir [6]. Siyanürün tespitine yönelik yapilan baska bir çalismada ise NMR (Nükleer manyetik rezonans) spektroskopi yöntemi ile siyanür iyonlarinin tespiti üzerine çalisilmistir. Söz konusu çalisma, hem siyanürün hassas tespiti hem de siyanürün sudan temizlenmesine yöneliktir. Fakat çalismadaki yöntemde, sensör suya temas ederek algilama yapmaktadir [7]. Sivilara karistirilabilecek zehirlerin yani sira; su kalitesini ölçmeyi amaçlayan baska bir çalismada ise split ring rezonatör ile 1 GHz - 10 GHz frekans araliginda, suyun içinde agir metal tespiti gerçeklestirilmistir [8]. Söz konusu çalismada oldugu gibi mikrodalga frekans bandinda farkli amaçlarla da olsa "rezonatör ile tespit" ön plana çikmistir. Ring resonatör çalismalarinda planer ring rezonatör ile benzin kalite testi, siplit ring rezonatörü [9] ile su, etenol, metenol için dielektrik katsayisi hesabi ve su içindeki az miktarda çözünmüs olan sodyumun hassas bir sekilde ölçülmesi gibi uygulamalar yapilmistir [10]. Baska bir çalismada, sulu fosfat, nitrat ve karisik fosfatin konsantrasyon ölçümleri için bir mikro serit hatta bagli olan 1 GHz - 1.2 GHz araligindaki frekansta çalisan bir ring rezonatör sensör kullanilmistir [11]. Bir baska çalismada 150 MHz'de çalisan özel tasarim split ring rezonatör ile sivi konsantrasyonlar ölçülerek sunulmustur [12]. Vektörel Ag Analizörü (Vector Network Analyzer-VNA) ölçüm cihazi kullanilarak kan sekeri ölçümünün yapildigi bir diger çalismada, split ring rezonatörü ile metamalzeme (metamaterial) teknolojisine dayali düzlemsel bir mikrodalga sensörü tasarlanmis ve üretilmistir. Söz konusu çalismadaki sensör, 1-6 GHz santimetre dalga bandinda çalisan temassizbir sistem ile ilgilidir. Söz konusu çalismada, VNA ölçüm cihazi kullanilarak çesitli ölçümler gerçeklestirilmistir [13]. TR2020/08906 numarali Türk patent basvuru dokümaninda açiklanan sudaki zehirli madde tespit sistemi konusuna paralel olarak, mevcut bulusta farkli bir tespit cihazi gelistirilmistir. TR2020/08906 numarali patent basvuru dokümaninda açiklanan yöntem ile mevcut bulusun farkliliklarina bakildiginda mevcut bulusta açiklanan tespit yönteminin TR2020/08906 numarali dokümandaki yöntemden tamamen farkli oldugu görülmektedir. Mevcut bulustaki yöntemin farkli olmasi sebebiyle tercih edilen frekans araliklari da farklilik göstermektedir. Mevcut bulusta daha düsük frekans araliklari kullanilmistir. Ayrica tespit dozlari arasinda da farkliliklar vardir. Mevcut bulus, milimetre dalga frekansinda ring rezonatörü ile içilebilen sivilar içerisine karistirilmis zehirli bir madde olup olmadiginin tespitine yönelik çalismayi içermektedir. Mevcut bulus, su içerisinde, zehirli (tehlikeli) bir kimyasal var ise içilmesinin engellenerek detayli teste gönderilmesini öneren bir çalismadir. Sivi gruplarina özellesmis özgün çalismalar ve ring rezonatör tasarimlari yapmak mümkündür. Mevcut bulus, dokunmadan uzaktan, bulundugu kap içinde ölçülebilmesi, sivi maruziyeti olmadigi için sensörün zarar görmemesi, iyonize isin yaymamasi, anlik ölçüm alabilmesi, hafif olmasi, portatif olmasi gibi avantajli özelliklere sahip, her yerde kullanilabilecek, dis sahada da kullanim kolayligi olan bir yöntemi açiklamaktadir. Bulusun Çözümünü Amacladigi Teknik Problem Mevcut bulustaki yöntem ile içme suyuna, yeralti kaynak sularina veya içilebilir sivilara, farkli sebeplerle karismis olan endüstriyel veya zehirli maddelerin tespit edilmesi amaçlanmistir. Buna ek olarak, mevcut bulusun bir diger amaci; üst düzey devlet mensuplarinin sagligini tehdit edebilecek terörist ataklar sebebiyle; toplanti esnasinda içilen sularin, toplanti masa altlarina yerlestirilecek mevcut bulustaki sistem ile takibinin yapilarak, kritik kurumlardaki veya görevlerdeki üst düzey yöneticilerin içme sularina karistirilabilecek zehirli maddelerin öldürücü doz veya daha az dozlarda olsa dahi, aninda "Zehirli (Tehlikeli) veya Zehirli Degil (Tehlikesiz)" olarak spektral kaymasinin ayristirma algoritmalari ile tespit edilebilmesi ve su veya içilebilir sivilarin spektral kayma göstermesi durumunda, su veya içilebilir sivinin detayli teste sevk edilmesi veya içilmesinin engellenmesidir. Sistem gerçek zamanli çalismaktadir. Hafif ve portatiftir. Sensör tasarimi yerli tasarim ve sartlara bagli özellestirilebilir. Dokunmadan sivinin içinde bulundugu kendi kabinda tespit yapabilmektedir. Iyonize isin yaymadigindan dolayi kullanicilarina ve etraftakilere zarar vermez. Kullanici dostu, kullanisli bir ara yüze sahiptir. Mevcut bulustaki, su veya içilebilir sivilari kapsayan cihaz, daha ayrintili ve spesifik olarak Tablo 1'de yer alan zehirli maddeler üzerinden tarif edilecektir. Istemler, asagidaki örneklerle sinirli olarak yorumlanamaz. Mevcut bulusta ring rezonatör ölçüm cihazi önerilmektedir. Mevcut bulusa özel tasarlanan ring rezonatörü cam veya plastik kaplardaki sivilari kaplariyla birlikte, siviya temas etmeden tespit edebilme imkâni sunmaktadir. Kimyasal maddelerin yapilarinin elektromanyetik farkliliklari, mevcut bulustaki ring rezonatör zehirli sivi tespit cihazina yerlestirilerek incelenmistir. Inceleme sonucunda edinilen bilgiler isiginda ayristirma algoritmalari ile su veya içilebilir sivilara zehirli madde karismis ise "Zehirli (Tehlikeli)" karismamis ise "Zehirli Degil (Tehlikesiz)" olarak gruplanmistir. Zehirli olan veya Zehirli olmayan sivilar; bir veri bankasinda yer alan ve daha önceden ölçülmüs sivilarin listesinden, dogal halinin ölçüm sonucu ile zehir ilave edilmis ölçüm sonucunun farkindan anlasilmaktadir. Bu nedenle çok genis veri kütüphaneleri olusturulmaktadir. Içme suyunun güvenilirligi halk sagligi ve üst düzey koruma gerektiren kisilerin güvenligi için önem arz etmektedir. Bu nedenle mevcut bulusta, 1 GHz - 5 GHz arasi çalisan 3 (üç) ayri rezonans modu olusturan ring rezonatörü tasarlanmis ve sivilarin bu üç ayri modda davranislari incelenmistir. Her kimyasalin rezonans frekanslarindaki ayrismalari farkli olacagi göz önünde bulundurulmustur. Ayrica modlar daha güvenli ayristirma yetenegi katmistir. Mevcut bulusta, ring rezonatörü, ticari bir ürün olan VNA karti ile kutulanarak cihaza portatif bir kullanim yetenegi kazandirilmistir. Mevcut bulustaki cihaz gerçek zamanli çalisma kabiliyetine sahiptir. Data aktarimi ve kartin güç beslemesi dizüstü bilgisayarla yapilmaktadir. Gruplama çalismalari çok paradigmali sayisal hesaplama yazilimi olan MATLAB (Matrix Laboratory) ve JMP (Statistical Software) [14] kullanilarak yapilmistir. Ölçüm sonrasi temiz su ile zehir karistirilmis/karismis su arasindaki rezonans kaymalarinin farkindan suya karisan zehirli bir madde olup olmadiginintemassiz olarak (non- invasive) tespiti yapilmistir. Grafiklerde "zehirli" kimyasallar "tehlikeli" olarak kullanilmistir. Sekillerin Açiklamasi Sekil1: Ring rezonatörün sematik çizimi Sekil 2: Ring rezonatör zehirli sivi tespit cihazinin sematik çizimi Sekil 3: Cam beher içindeki saf su/siyanürlü suyun ölçümünün karsilastirma grafigi Sekil 4: Cam beher içindeki saf su/siyanürlü suyun ölçümünün karsilastirma grafigi Sekil 5: Cam sise içinde, Tablo 1'den b, d, e, f isimli malzemeler ve havanin(a) ölçüm grafiklerinin karsilastirilmasi ( Sekil 6: Cam sise içinde; Tablo 1'den b, d, e, f, isimli malzemeler ve havanin(a) ölçüm grafiklerinin karsilastirilmasi ( Sekil 7: Plastik su kabinda Tablo 1'den b, d, e, fnumarali malzemeler ve havanin(a) ölçüm grafiklerinin karsilastirilmasi ( Sekil 8: Plastik su kabinda Tablo 1'den b, d, e, f, isimli malzemeler ve havanin(a) ölçüm grafiklerinin karsilastirilmasi ( Sekil 9: Tablo 1'deki d, e, f, isimli sivilarin b isimli (Su) sividan ayristiginin JMP programi ile ayristirmalarinin gösterilmesi Sekil 10: Prototipin cam sise ile uygulamali sematik gösterimi Sekillerdeki Referanslarin Açiklamasi 1: Ring Rezonatör iç ve dis ring çapi 2: Iletim hatti genislik ve uzunlugu 3: VNA kart (5) ile ring rezonator arasi baglantisini saglayan RF (radyo frekans) 4: Dis kutu : VNA karti 6: USB çikisli veri aktarim ve veri besleme kablosu 7: Ring reznatörün droid altligi 8: Plastik su kabi (Ölçüm kabi) 9: 58mm X 58mm taban büyüklügü olan dikdörtgen tabanli plastik su kabi : 74mm yüksekligi olan dikdörtgen tabanli plastik su kabi 11:150ml'lik cam laboratuvar sisesi çizimi 12: Yüksekligi 150mm olan 150ml'lik cam laboratuvar sisesi 13: Taban çapi 54mm olan, 150ml'lik cam laboratuvar sisesi 14: Dizüstü bilgisayar : Ara yüz ve Gruplama algoritmasi 16: Cam beher (100ml) 18: 60mm çapinda cam beher X: VNA karttan (5) gelen RF kablosunun ring resonatörü ile baglanti noktasi A: Iletim hatti ile ring arasindaki bosluk R1: Ring rezonatörün ring kisminin iç çapi R2: Ring rezonatörün ring kisminin dis çapi Sekil referanslarinda yer alan kaplara (cam sise, plastik su kabi vb.) boyutlar asagidaki grafiklerdeki sonuçlari refere etmek için verilmistir. Kullanilacak olan her kap için cihaz farkli sonuçlar verecektir. Cihaz farkli boyutlu siselerde de çalisabilmektedir. Bulusun Aciklanmasi Mevcut bulus, milimetre dalga frekansinda ring rezonatörü ile içilebilen sivilara veya suya karistirilan zehirli bir madde olup olmadiginin tespitine yönelik çalismayi içermektedir. Mevcut bulus, sivi içerisinde Zehirli (Tehlikeli) kimyasal var ise sivinin içilmesinin engellenerek detayli teste gönderilmesini öneren bir çalismadir. Mevcut bulustaki cihaz, en az bir adet VNA karti (5), en az bir adet ring rezonatörü (1), en az 2 adet RF Kablo (3), en az bir adet bilgisayar (14), en az bir adet USB çikisli veri aktarim ve veri besleme kablosu (6), bir VNA veri aktarim yazilim ve ara yüzü (15) ve dis kutusundan (4) meydana gelir. Bilgisayar (14) tercihen dizüstü veya masaüstü olabilir. Bilgisayar (14) yerine bir bilgisayar gibi islevi olan bir cihaz da kullanilabilir. Dis kutu (4) tercihen metal veya plastik olabilir. VNA çikisli RF kablosu (3) VNA kart (5)- ring rezonator (1) baglantisini saglamaktadir. Mevcut bulustaki VNA Karti (5), 300 kHz-6 GHz frekans araligina sahiptir. Her bir frekansin adiminin ölçüm hizi 182 ps (mikrosaniye), dinamik aralik, 10Hz lF (lntermediate Frequency) band genisligi 2 portlu ve S parametrelerinden S11, S12, S21, S22 sonuçlarini verme kabiliyetine sahiptir. USB ile bilgisayar kontrollüdür. Mevcut bulustaki VNA data aktarim yazilimi ve ara yüzü Visual C programi tabanli hazirlanan bir ara yüzdür. Bu ara yüz sayesinde veri aktarimi gerçek zamanli olarak yapilabilmektedir. Ara yüzde logaritmik skalada genlik ve faz datasi görülebilmekte kayit alinabilmektedir. Ring rezonatörler, karakterizasyonda kullanilan malzemelerin mikrodalga frekans araliginda karakterize edilmesi ve dielektrik özelliklerinin belirlenmesinde kullanilmaktadir. Mikro dalga bilesenleri; kuplör (coupler), RF filtre, karistirici (mixer), osilatör (oscillator), ve anten gibi kullanilmaktadirlar. Mevcut bulustaki sistem, rezonas ve frekans arasindaki iliskiyi açiklamaktadir. Bir ring rezonatörün yapisi, bir altlik üzerine yerlestirilmis ring ile genlik ve faz degeri bilinen bir iletim yolundan olusmaktadir. Karakteristik empedans 50 ohm seçilmistir. Mevcut bulustaki ring rezonatörünün sematik gösterimi Sekil 1'deki gibidir. Iletim hatlari arasinda küçük bir baglanti boslugu bulunmaktadir (Delta (A)) (Sekil 1). Bu bosluk rezonans davranisini iletim hattindan ayirmak için birakilmistir. Iletim hattinin genisligi 0.1 ile 1.0 kati arasinda degismektedir. Ring rezonatör dielektrik sabiti 2.33 [18] olan droid altlik üzerine tasarlanmistir. n=1,2,3... 27TR : n/lg I Denklemdeki (l) R, ring yariçapini ifade etmektedir. n, rezonansin harmonik sirasidir. Grup dalga boyu asagidaki formülden hesaplanmaktadir. 9 `/Sefff Denklemdeki (ll) c: isik hizini, f: rezonans frekansini, /lg : grup daga boyunu, eeff : dielektrik sabitini Ifade etmektedir [19,20,21]. Mevcut bulusta, 1 GHz ile 5 GHz arasinda farkli harmoniklerde çalisan ring rezonatör, bir droid altlik (7) üzerine tasarlanmistir. Ring rezonatörü, CST(Compiter Simulation Technology) Studio Suite 3D EM [20] yaziliminda tasarlanarak üretilmistir. Ring Rezonatörde havanin olusturdugu rezonans frekansi Sekil 3'te gösterilmistir. Rezonatör ölçüleri ise Tablo 1'de gösterilmistir. Tablo 2, mevcut bulus kapsaminda incelenen zehirli kimyasal etken maddelerin özelliklerini ve semptomlarina ait bilgileri göstermektedir. Bu bilgilere "Toxnet (https://www.imp.com/en us/events/ondemand/masterinq-imp/multivariariate-data- exploration.html) web sitesinden ulasilabilmektedir. Toxnet, Amerika Birlesik Devletleri'nin Ulusal Tip Kütüphanesi toksikoloji veri agidir. Toksikoloji, tehlikeli kimyasallar, çevresel saglik ve toksik salinimlari hakkinda veri tabanlarina erisim saglamaktadir. Tablo 1.Ring Rezonatör yapisinin detayli ölçülendirilmesi Ring Çapi R1 2.615 cm R2 3.0 cm Iletim hatti Uzunluk 4.065 cm Genislik 0.385 cm Delta(A) 0.02 cm Altlik Genislik 11.50 cm Uzunluk 14.17 cm Droid Kalinlik 1.575 mm Dielektrik Katsayi 2.33 +/- 0.02 Kayip tanjanti 0.0012 Bakir Kalinlik 30 mikron Mevcut bulustaki VNA karti (5) metal kutu (4) içerisine yerlestirilmistir. RF kablo çikislari (3) üst köselerinden (X) ring rezonatöre (1) baglanarak, ring rezonatör (1), duroid atlik (7) üzerine konumlandirilmistir. Ring rezonatör (1), RF kablo (3), iletim hatlarini içeren diploid altlik (7) metal kutunun (4) üzerine konumlandirilmistir. Metal kutudan (4) çikan data aktarim ve besleme kablosu (6) USB çikisindan dizüstü bilgisayara (14) baglanmistir. Ara yüz (15) yazilimindan baglantilar kontrol edilerek cihazda, hava için rezonans frekansindaki voltaj degerinin logaritmik skalada genlik degerine bakilir. Cihaz su ve içilebilir sivilar için çalismaktadir. Fakat referans alinabilmesi için kontrollü denemeler yapilmistir. Bu zehirli maddeler piyasadan rahat temin edilebilecek ve rahatlikla hazirlanabilecek maddeler seçilmistir. Tespit amaçli ölçüm yapilacak sivilarin listesi Tablo 2'deki gibidir. Tablo 2. Su ve Zehirli sivi olustururken kullanilan su, zehirli maddeler ve karisim miktarlari Tespit __ edilen Tespit edilen Oldürücü Doz (Lethal doz) N° Madde sivi miktari Etken madde LD 50 isimleri d Siçan zehiri 50 gr/ 100 ml Difenacoum 1,8 mg/kg-Siçan.[21] su Denatonium Benzoat 584 mg/kg/kg-Siçan.[22] ml su 30 mg cafein [23] su mg/kg; Siçan.[24] mg/kg; 7500 mg/kg-Siçan.[26] Piperonlybutoxide: 7500 mg/kg . Siyanür Saf su Ölçümler, ring rezonatörün ring kisminin tam üzerine ölçüm kabi (8), cam beher (16) veya cam sisenin (11) ortalanarak konumlandirilmasi ile yapilmistir. Suya göre degisim gösteren rezonans frekanslari hem grafiklerden (Sekil 3, 4, 5, 6, 7, 8) hem de gruplama algoritmalari yardimiyla ayirt edilmektedir (Sekil 9) ve "Zehirli (Tehlikeli)" veya "Zehirli DegiI(TehIikesiz)" olarak degerlendirilmistir. Ölçümlerde 150 ml'lik, 80 mm yükseklik ve taban çapi 60 mm olan cam beher (16, taban büyüklügü olan dikdörtgen tabanli plastik su kabi kullanilmistir (8, 9, 10). Kaplara (8, 11) Tablo 2'de verilen malzemeler (Siyanür hariç) sirasiyla önce cam siseye (11) hazirlanmis ve ring rezonatörün ring kismi tam ortalanarak konumlandirilmis ve ölçülmüstür. Ardindan plastik su kabina (8) bosaltilarak sirasiyla ölçülmüs ve farkli malzemeden kaplar ve farkli sekilli kaplardaki sonuçlar incelenmistir. Önce cam beherde yalnizca saf su, sonrasinda yine cam beherde saf su ile hazirlanan siyanür karisimi ölçülerek incelenmistir. Çalismada varilmak istenen sonuç; su veya içilebilir sivilara karismis olan kimyasal bir maddenin, veri kütüphanesine kayitli olan su veya diger içilebilir sivilardan sonuçlarindan farkli olup olmadiginin belirlenmesidir. Burada dikkat edilmesi gereken nokta kaplarin sekil ve büyüklüklerinin veri kütüphanesinde kayitli olmasi gerektigidir. Bu nedenle piyasada bulunan tüm su konulabilecek kaplardan bir veri bankasi olusturmak gerekmektedir. Sekil 3 ve Sekil 4'te verilen ve Tablo 1'de detaylandirilmis, saf suya karistirilmis olan sodyum siyanürün ölçüm sonucu ile saf suyun ölçüm sonuçlarinin karsilastirilmasi görülmektedir. Sekil 4'te daha detayli görmek adina 1 GHz - 3 GHz arasi tekrar incelenmistir. Sekil üzerinde kaymalarin çok belirgin oldugu göz ile de tespit edilebilmektedir. Sekil 3'te sodyum siyanürün farkli üç rezonans moduna verecegi tepki incelenmistir ve kaymanin en iyi gözlemlendigi frekans olan 1.8 GHz - 3 GHz arasi kaymalar dikkate alinmistir. Sudan ayrisarak hem genligin hem de frekansin kaydigi gözlenmistir. Ölçüm sivilari cam beher kullanilarak yapilmistir (8). Sekil 5, 6, 7, 8'de ise sirasiyla; cam sise (11) ve plastik su kabi (8) Tablo1'deki d, e, f no.lu sivilarin b no.lu sivi (Su) dan farkliligi önce üç rezonans modunda, sonrada en iyi rezonans kaymasinin gerçeklestigi moddaki grafikleri görülmektedir. Cam sisede 1.3 GHz - 3 GHz arasi gözlemlenirken, plastik su kabinda 4 GHz - 5.4 GHz arasi gözlemlenmistir. Üç zehirli kimyasal da sudan ayrisarak genlik olarak daha düsük, birbirine yakin spektrumda gözlenmistir. Bulusun Sanayiye Uygulanma Biçimi Mevcut bulusun potansiyel kullanim alanlari belediyeler, oteller, kalabalik kamu binalari, üst düzey koruma gerektiren devlet büyüklerinin içilebilir sivi veya sularinin kontrol edilmesidir. Saha kullanimi pratik ve tasinabilir oldugu için her yere götü rülebilir. TR TR TR TR TR