FOTON KONTROL ve DİAGNOSTİK TEKNİKLERİ

Ebat: px

Şu sayfadan göstermeyi başlat:

Download "FOTON KONTROL ve DİAGNOSTİK TEKNİKLERİ"

Süleyman Oz
8 yıl önce
İzleme sayısı:

1 FOTON KONTROL ve DİAGNOSTİK TEKNİKLERİ İlhan TAPAN Uludağ Üniversitesi IV. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Detektörleri Yaz Okulu Eylül 2008, Bodrum-Muğla 1

2 İçerik - Giriş - Foton Demet Diagnostiği - Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler - Aynalar, Mercekler ve Demet Ayırıcıları - Spektrometre - Otokorelatör - Nd:YAG Lazer - Demet Zayıflatıcı - Polarizasyon Dönüştürücü - Detektörler - Gaz Monitör Detektörü - Mercury Cadmium Telluride -MCT Detektörü - Pyroelektrik Detektör - Microchannel Plate (MCP) detektörü 2

Demet Zayıflatıcı - Polarizasyon Dönüştürücü - Detektörler - Gaz Monitör Detektörü -

3 İçerik - Detektörler - CCD Kamera - Intensified CCD (ICCD) - Konum Duyarlı Detektör (Position Sensitive Detector-PSD) - Streak Kamera - Diagnostik Örnekleri - THM IR-SEL Test Laboratuvarı Foton Diagnostik İstasyonu - Mevcut SEL Laboratuvarlarındaki Diagnostik Sistemlerinden Örnekler - Diagnostik- Kontrol - Hızlandırıcılarda Kullanılan Parçacık Kontrol ve Diyagnostik Teknikleri dersinde.. 3

Foton Diagnostik İstasyonu - Mevcut SEL Laboratuvarlarındaki Diagnostik Sistemlerinden Örnekler -

4 Giriş Demet diagnostiği, demetinin özelliklerini demet hatları boyunca izleyen, demetin herhangi bir uygulama alanında kullanılabilmesi için önceden belirlenmişş özelliklerinin korumasını sağlayanğ donanım ve kontrol sistemleri bütünüdür. Bu sistemler hızlandırıcı laboratuarlarının performans ve kararlılığını hızlı ve güvenli bir şekilde kontrol ederek, sadece deneycilerin değil aynı zamanda makine operatörlerinin de iş yükünü oldukça azaltır. Bir hızlandırıcı laboratuarında elde edilen foton demetinden bahsediyorsak, prensipte aynı fakat yapısal olarak oldukça farklı iki diagnostik sistemi karşımıza çıkar. - Hızlandırılan yüklü parçacıkların analizi için demet diagnostik sistemi, - Cerenkov ışınımı, sinkrotron ışınımı ve serbest elektron lazeri (IR bölgesinden X-ışınları bölgesine kadar) gibi foton demetlerinin analizi içini gerekli foton demet diagnostikik sistemidir. idi 4

Bu sistemler hızlandırıcı laboratuarlarının performans ve kararlılığını hızlı ve güvenli bir şekilde kontrol ederek, sadece deneycilerin değil aynı zamanda makine operatörlerinin de iş yükünü oldukça

5 Foton Demet Diagnostiği Foton demet diagnostiği, elde edilen foton demetinin ayarlanabilmesini, anlaşılıp karakterize edilebilmesini ve deneycilere ihtiyaç duydukları temel demet parametreleri bilgisini sağlar. ğ Demetin bilinmesi gereken parametreleri; spektral dağılımı, şiddeti, istatistiksel özellikleri, konumu, varış zamanı, puls aralığı, koherentliğidir. Ölçülecek demet parametreleri çok çeşitlidir. Aynı parametreler farklı aygıtlar tarafından belirlenebilir. Diğer taraftan birkaç parametre de tek bir aygıt ile belirlenebilir. 5

ğ Demetin bilinmesi gereken parametreleri; spektral dağılımı, şiddeti, istatistiksel özellikleri, konumu, varış zamanı, puls aralığı,

6 Foton Demet Diagnostiği Elde edilen foton demeti önce demet hatları üzerinde ölçülür, sonra detaylı ölçümleri yapılmak üzere kullanıcı laboratuarlarından önce kurulan foton diagnostik istasyonuna taşınır. Demet hatları, foton demetinin lineer polarizasyonunu koruyup, hava tarafından soğurulmayağ uğramadanğ taşınmasınış sağlayanğ yüksek vakumlu borulardır. Foton demeti, demet hatları içerisinde mercekler tarafından odaklanır ve aynalar yardımı ile diagnostik ve deney istasyonlarına istasyonuna taşınır. ş Diagnostik istasyonunda donanımlar granit masa üzerine yerleştirilir ve fotonun hava tarafından soğurulmasını önlemek için masa, ya He-Ne veya N 2 gibi gazların bulunduğu ğ kapalı bir hacim yada vakum içerisinei i yerleştirilmelidir. 6

Foton demeti, demet hatları içerisinde mercekler tarafından odaklanır ve aynalar yardımı ile diagnostik ve deney istasyonlarına istasyonuna taşınır.

7 Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler Aynalar, Mercekler ve Demet Ayırıcıları Aynalar ve mercekler foton demetinin iletiminde ve odaklanmasında kullanılırlar. Örnek olarak mikron aralığında dalga boyuna sahip bir foton demeti için Quartz, CaF 2, Ge, Si ve Polyethylene Fresnel mercekler ile Al, Au veya Ag gibi metaller ile kaplanmış yüksek k yansıtma gücüne üü sahip aynalar kullanılmalıdır Mercekler, demet hatları boyunca paralel foton demetini oluşturmak ve diagnostik işlemleri sırasında ışığı odaklamak veya dağıtmak amacıyla kullanılır. 7

Örnek olarak 2-185 mikron aralığında dalga boyuna sahip bir foton demeti için Quartz, CaF 2, Ge, Si ve Polyethylene Fresnel mercekler ile

8 Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler Aynalar, Mercekler ve Demet Ayırıcıları Demet ayırıcının görevi, gelen demeti yansıyanvegeçenolmaküzere ikiye ayırmaktır. Genellikle demet ayırıcılar gelen demetin önüne 45 o lik açı ile yerleştirilirler. Bu durumda, geçen ışık aynı doğrultuda yoluna devam ederken, yansıma dik açı ile gerçekleşecektir. Demet ayırıcılar kısmi geçirgen metal filmler veya prizmalardan yapılmaktadır. Demet ayırma oranı 50:50 veya başka bir değerlerde olabilir. 8

Genellikle demet ayırıcılar gelen demetin önüne 45 o lik açı ile yerleştirilirler.

9 Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler Spektrometre - Czerny-Turner tipi spektrometre kullanılır. 9

10 Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler Otokorelatör Mikro-pulsların ölçümlerinde ve karakterizasyonunda kullanılır. Uygun ikinci harmonik üreten kristaller kullanılarak, geniş bir spektrum aralığında ölçüm yapılabilir (IR bölgede CdTe kristali) 10

Uygun ikinci harmonik üreten kristaller kullanılarak, geniş

11 Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler Nd: YAG Laser Neodyum iyonları katkılı Yitrium Aluminyum Garnet; Nd:Y 3 Al 5 O 12 lazer sistemi foton demet pulsunun tekrarlama frekansını azaltmak için kullanılmaktadır. Nd:YAG, dalgaboyu nm olan lazer ışığı yayınlar. Demetten bir puls seçimi, Nd:YAG lazer ve dönebilen bir geri-yansıtıcı alet kullanılarak gerçekleştirilebilir. 11

azaltmak için kullanılmaktadır. Nd:YAG, dalgaboyu 1064.17 nm olan lazer ışığı yayınlar.

12 Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler Demet Zayıflatıcı Demetin gücünün istenilen kademelerde azaltılmasını sağlar. Metal ızgaralar tarafından demetin belirli bir kesri yansıtılır. Yansıyan demet, zayıflatıcının su soğutmalı duvarlarında soğurulur. Polarizasyon Dönüştürücü Işığın lineer polarizasyonunun yönünü genellikle 45 veya 90 gibi sabit bir miktarda döndürmek için kullanılır. 12

Yansıyan demet, zayıflatıcının su soğutmalı duvarlarında soğurulur.

13 Detektörler Gaz Monitör Detektörü Detektörden geçen fotonların sayısı, detekte edilen parçacıkların (iyonlar/elektronlar) (y sayısına bağlığ olarak bulunur. N photon = N particle N particle = Q. E.( h ν ) σ ( h ν ) z η n ph n atom 13

(iyonlar/elektronlar) (y sayısına bağlığ olarak bulunur.

14 Detektörler Mercury Cadmium Telluride -MCT Detektörü MCT, üç yarıiletkenin oluşturduğu bir alaşımdır. Detektör, 10 ile 20 μm arasında değişen kalınlığa sahip ince bir HgCdTe tabakadan ve üzerine oturtulmuş metal kontak yüzeylerden oluşur. 14

Detektör, 10 ile 20 μm arasında değişen kalınlığa sahip ince

15 Detektörler Pyro-elektrik Detektör Gelen ışık yükseksoğurma katsayısına sahip duyarlı alana çarparak soğurulur. ğ Soğurulma, ğ LiTaO 3, PZT gibi çok kristalli pyroelektrik malzemenin sıcaklığında değişime sebep olur. Sıcaklık değişimi ile pyroelektrik malzemede oluşan elektriksel yükler elektrotlar tarafında toplanarak bir çıkış sinyali elde edilir. I = pa dt dt p; pyroelektrik sabit, materyale bağlı A; detektör alanı dt/dt; sıcaklığın zamanla değişimi 15

Sıcaklık değişimi ile pyroelektrik malzemede oluşan elektriksel yükler elektrotlar tarafında toplanarak bir çıkış

16 Detektörler MCT's: wavel. range 2 up to 200 µm pyrodetectors: wavel. range µm 16

17 Detektörler Microchannel Plate (MCP) detektörü MCP birkaç milyon kanala sahip olup, kanalların her biri bağımsız birer elektron çoğaltıcı olarak çalışır. MCP, çok küçük yarıçaplı (4 ile 25 μm arasında) iletken hale getirilmiş cam boruların (kanallar) birleştirilerek ince bir levha haline getirilmesiyle oluşturulur. 17

MCP, çok küçük yarıçaplı (4 ile 25 μm arasında) iletken hale getirilmiş cam

18 Detektörler CCD Kamera CCD aslında bir foton detektörü olarak tasarlanmıştır, ancak içerisine giren yüklü parçacıklar tarafından oluşturulan elektron-hol çiftlerini de algılar. Oluşan yük taşıyıcıları, pikselin hemen altında oluşan bir potansiyel kuyusunda tutulur ve sinyal, depo edilen bu yüklerin bir pikselden diğerine sırasıyla kaydırılmasıyla alınır. Bu sinyalin bir yükselteç devresi tarafından yükseltilmesi gerekir. Bir CCD milyonlarca pikselden oluşabilir. Üç fazlı CCD 18

Oluşan yük taşıyıcıları, pikselin hemen altında oluşan bir potansiyel kuyusunda tutulur ve sinyal, depo edilen bu

19 Detektörler Intensified CCD (ICCD) CDD nin önüne bir şiddetlendirici (intensifier) kısım eklenmesi ile oluşur. Bir şiddetlendirici, sırası ile monte edilmiş üç fonksiyonel elemandan oluşur; Fotokatot, micro-channel plate (MCP), fosforf ekran. Şiddetteki artış (foton kazancı) kata kadar çıkabilir 19

Bir şiddetlendirici, sırası ile monte edilmiş üç fonksiyonel elemandan

20 Detektörler Konum Duyarlı Detektör (Position Sensitive Detector-PSD) Yüksek konum çözünürlüğüne ve küçük cevap zamanına sahip olduğundan, demetin konumunu X ve Y doğrultusunda 3 μm den daha iyi bir çözünürlükle ölçebilir. CLS de Hamamatsu C5658 APD modulü kullanılmaktadır. Toplam kuantum verimi 20

demetin konumunu X ve Y doğrultusunda 3 μm den daha iyi bir çözünürlükle

21 Detektörler Streak Kamera Demet içerisinde arka arkaya gelen ışık pulslarını incelemek amacı (pulslar arası mesafe ölçümü - demet özelliklerinin değişiminin gözlenmesi gibi) ile kullanılır. Yatay eksen konumu, düşey eksen zamanı gösterir. 21

22 Diagnostik Örnekleri THM IR-SEL Test Laboratuarı Foton Diagnostik İstasyonu 22

23 Diagnostik Örnekleri THM IR-SEL Test Laboratuarı Foton Diagnostik İstasyonu A schematic layout of the TAC IR FEL photon diagnostic table 23

24 Diagnostik Örnekleri A photograph of ELBE IR-FEL photon diagnostic table 24

25 Diagnostik Örnekleri A photograph of JLAB IR-FEL photon diagnostic table 25

26 Diagnostik Örnekleri 26

27 Diagnostik Örnekleri 27

28 Diagnostik- Kontrol Tüm parametreleri, tam bilgisayar kontrollü bir şekilde ölçme işlemi kontrol odasından yönetilir. 28

29 Sonuç Bir hızlandırıcı laboratuarında elde edilen parçacık/foton demetinin diagnostiği ğ ve kontrolü oldukça önemlidir. Bir hızlandırıcı sisteminin ne derece verimli çalıştığı ve çalışması için ne yapılması gerektiği, ancak elde edilen demetlerin incelenmesinden sonra anlaşılır. Bu işlem toplam maliyetin %10 unu, toplam insan gücünün de %20 sini gerektirmektedir. Diagnostik ve kontrol işlemlerinde kullanılacak detektörlerin çalışma prensipleri iyi bilinmelidir. Farklı ışınım kaynakları için hangi parametrenin hangi detektör tarafından ölçülmesi gerektiği verimlilik açısından önemlidir. 29

30 EK- Jlab parametreleri 30

31 EK- Kontrol odasından bir görünüm 31

32 EK- Streak kamera- konum/zaman dönüşümü 32

33 33

Benzer belgeler

DEMET DİAGNOSTİĞİ. İlhan TAPAN Uludağ Üniversitesi

DEMET DİAGNOSTİĞİ. İlhan TAPAN Uludağ Üniversitesi DEMET DİAGNOSTİĞİ İlhan TAPAN Uludağ Üniversitesi III. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Detektörleri Yaz Okulu, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye 1 Demet DiagnostiğiNedir? Yüklü Parçacık Demeti Diagnostiği