Serbest Elektron Lazeri

Transkript

1 II. ULUSAL PARÇACIK ACIK HIZLANDIRICILARI ve DEDEKTÖRLER RLERĐ YAZ OKULU Parçac acık k HızlandH zlandırıcılarına Dayalı Işınım m Kaynakları Serbest Elektron Lazeri Prof. Dr. Ömer YAVAŞ Ankara Üniversitesi Fizik MühendisliM hendisliği i BölümüB 1

2 Serbest Elektron Lazeri (SEL) Free Electron laser (FEL)

3 SERBEST ELEKTRON LAZERĐ Serbest Elektron Lazeri: Rölativistik bir elektron demetinin, kutupları arasına sinüsel sel bir manyetik alan uygulanan salınd ndırıcı (undulator) magnetten geçerken, erken, kinetik enerjisinin bir kısmk smının n elektromanyetik ışıma yoluyla ayarlanabilir dalgaboylu, yüksek akı ve parlaklık değerlerine erlerine sahip monokromatik ışınıma dönüşmesi yoluyla elde edilir. 3

4 SEL in Oluşumu umu 4

5 5

6 Undulatör spektrumu, n harmonik mertebesini göstermek üzere ε n [ kev ] = λ u ne [ GeV ] [ cm ]( 1 + k / ) Etrafında gözlenen g monokromatik piklerin serilerinden oluşur. ur. Burada λu salınd ndırıcının n periyodu ve [ ] k BT = [ cm] λu Salınd ndırıcı magnetin kuvvet parametresidir. 6

7 7

8 FEL High-brightness radiation sources need high-brightness drive beam! 8

9 SEL ĐN N FĐZĐĞĐF ĐĞĐ Serbest Elektron Lazerinin Temel Parametreleri : Elde edilen foton demetinin (lazer) dalga boyu elektron demetinin enerjisine ve salınd ndırıcınınnnn kutup periyoduna bağlıdır. Böyle B bir bir düzenekle elektron demetinin enerjisinin e.m. ışınıma aktarılma yüzdesi y %1-50 arasındad ndadır. 9

10 Bir düzlem undulaörden elde edilen SEL içinin foton demetinin dalga boyu λ lazer = λ γ u e 1 + K + γ e θ şeklindedir. Burada, λ u düzlemsel d undulatörün periyot uzunluğu, u, elektron demetinin Lorentz faktörü, θ elektronun geliş açısı ile gözlem g açısıa arasındaki açıdır. a 10

11 B u undulatörün pik magnetik alan değeri eri olmak üzere, undulatör K parametresi, K = Burada, eb π u m λ e u c = B e = 4πα α=, 1/137 ince yapı sabitidir. K~1 Salınd ndırıcı ( Işımaya asıl l katkı 1. harmoniklerden gelir. Ve n harmoniklerde görece zayıf f pikler oluşur) ur) K>3 Zigzaglayıcı (Işı şıma geniş band karakterlidir) u [ T ] λ [ cm] u 11

12 Undulatör için in serbest elektron lazerinin dalgaboyu ve enerjisi pratik birimler cinsinden λ o λ u (cm ) SEL (A ) = (1 + E (GeV ) K ) ve enerjisi E SEL ( ev ) = 950 λ u E ( e cm ( GeV )( 1 + ) K ) Tipik SEL ler için i in enerji bölgesi: b 1 ev-10 kev 1

13 Serbest Elektron Lazerinin Kalitesini Etkileyen Parametreler : Elektron demetinin ve undulatörün kalitesi serbest elektron lazerinin kalitesini belirler. Lazerin band genişli liğine ine yayınım m yönünde y nde bazı faktörlerin katkılar ları, λ λ = γ γ + 1 K + K K + γ 1 ( θ ) + K ile verilir. 13

14 λ λ = γ γ + 1 K + K K + γ 1 ( θ ) + K Đlk terim elektron demetinin enerji yayılımının etkisini, Đkinci terim undulatör r parametresinden veya magnetik alan değerindeki erindeki sapmalardan gelen katkılar ları, Son terim ise θ yarı açı genişlemesinden gelen katkıyı belirtmektedir. 14

15 Sonuç olarak; λ dalga boyundaki bu yayılım çizgi yarı genişli liği 1/ N u ile verilir. Burada N u undulatörün kutup sayısıdır r ve L u undulator boyu olmak üzere, N u = Lu / λ u ile verilir. 15

16 Serbest elektron lazeri üretim düzened zeneğinin etkin bir şekilde çalışması için in salınd ndırıcı ve elektron demeti kalitesi aşağıa ğıda verilen koşullar ulları sağlamal lamalıdır. γ 1 = γ 4 N K K 1 + K 1 + θ < γ 1 < 4 N K N u u u 16

17 Lazer Dalgaboyu - EmittansĐli lişkisi Çizgi genişli liği 1/ N u olan, SEL dalga boylu serbest elektron lazeri üretmek için: i in: λ Elektron demetinin emittansı ε < λ SEL π şartını sağlamalıdır. 17

18 SEL Đçin Farklı Opsiyonlar 18

19 SEL Osilatör Modu Bu modda; - paralel ayna arasına yerleştirilen undulatörler kullanılır - Undulatör eksenine dikey yönde yoğunluk dağılımına sahip elektron demeti kullanılır - Undulatör eksenine paralel yönde hareket eden elektron demeti vardır - Yükseltilmiş dalga düzlemsel dalgadır - Sürekli elektron demeti kullanılır 19

20 Serbest elektron lazeri osilatöründe, çıkan ışınım optik kavite içinde depolanır, elektron demetiyle defalarca etkileşir. Çıkan ışınım, kazanç doyuma ulaşana kadar artırılır. SEL osilatör için dalga boyu 180nm civarına kadar düşük bir limite sahip olabilir. Örneğin, VUV bölgesinin üzerinde SEL osilatör için çalışma yapılamaz. 0

21 Osilatör SEL modunun şematik gösterimi 1

22

23 SASE Modu (Self Amplified Spantenous Emission) X-Işını bölgesinde serbest elektron lazeri elde etmek için i in aynasız z sistemler kullanılır. Bu moda SASE (Self Amplified Spantenous Emission) ) adı verilir. SASE yüksek akım m ve yüksek y enerji linaklarına dayanır. Bu durumda çıkışış lazer gücüg elektron demet gücünün g n kesriyle orantılıdır r ve 10 5 MW/cm mertebesindeki güçg yoğunlu unluğuna una ulaşı şılabilir. 3

24 SASE FEL 4

25 SASE presibi ile çalışan SEL ler aşağıdaki gibi tanımlanan ρ parametresi, enerji kazanım ve güç doyum uzunluğu ile pik güç değeri için çok önemli bir parametredir. Bu parametrenin nominal değeri 10-3 mertebesindedir. 5

26 ρ = 64 1 π K λ u f B I γ A I p βε n 1 / 3 şeklindedir. Alfven akımı, I Elektron demetinin pik akım p değeri, I A γ K Lorentz faktörü, Undulatör parametresi, fb Bağlaşım faktörü, λu Undulatör periyodu, B u Undulatör magnetik alanının pik değeridir 6

27 Bu parametreler cinsinden; Işınım gücünün ikiye katlanma uzunluğu : l g = λ u 4πρ SEL üstel kazanç parametresi : G = 4πρ N u Işınım gücü doyum değeri : P sat = ρp demet P [ ] demet GW = Ip(A) E [ GeV] SASE prensibinde E < ρ< 10-3 tür. 7

28 Serbets Elektron Lazerinin Temel Parametreleri P Güç [ kw ] = L ( m ) I [ A] ( E [ GeV ]) ( B [ T ]) u e ile verilir. Gücün pik değeri için üst limit sinkrotron ışınımında 10 3 W civarında iken SEL için bu değer düzeneğe bağlı olarak W mertebesine ulaşabilmektedir. Ortalama tipik güç değerleri ise kw mertebesindedir. e u 8

29 I SEL 14 = N (E e Akı [ GeV ]) I[ A] F [ K] f (nν ) n n F [ K] n = ξn J n 1 (nξ ) J n+ 1 (nξ ) ( ) ( ) ξ = 1 K 1+ K f ( ν ) = sinν / ( ν / ), ν n = πn u nω, 1 ω, n nω 1 = 1,3,5... ω1 = E FEL / h ilk harmoniğin frekansı, N Dalgalandırıcı kutuplarının sayısı ve n u harmoniklerin mertebesidir. Akı: foton/saniye/mrad/0.1% bandgenişliği 9

30 Parlaklık Akı yoğunluğu olarak verilen spektral parlaklık ise saniye, 0.1% band genişliği, mm ve mrad başına foton sayısı olarak tanımlanır ve akının kaynak ile ilgili açısal alana bölünmesiyle elde edilir ve, B SEL = ( π ) σ I SEL x σ y σ x ' σ y ' ile tanımlanır. 30

31 ' σ x σ ' y : Faz uzayı alanı σ y σ x : Etkin kaynak alanı ε ε λ / 4π, y Enine emittanslar, x sağlıyorsa lazer enine kohorent olacaktır. Serbest elektron lazerinin doğal band genişliği n. harmonik için λ / λ nn u ile ve kohorent uzunluk l = λ ile verilir. c nn u u Spektral parlaklık SEL için arasındadır. 31

32 Dünyadaki Serbest Elektron Lazeri Laboratuvarları Free Electron Laser Laboratories FEL Table 3

33 SASE FEL PROJELERĐ TTF FEL TESLA XFEL LCLS XFEL Spring-8 8 XFEL CLIC XFEL 33

34 TTF FEL (Phase 1) E σ E /E ε n λ u K λ MeV 0.06 ± 0.0 % I p 1.3 ± 0.3 ka 6 ± mm. mrad.73 cm nm Phase of the TTF FEL will operate at 1 GeV, where more superconducting modules are added and the undulator length is extended. 34

35 TTF Results Shortest FEL wavelength so far (saturation) Single shot power and spectrum (statistic) First user applications of FEL radiation 35

36 36

37 TESLA X-FEL E σ E /E I p ε n λ u K λ 0-50 GeV 0.05 % 5.0 ka 1.6 mm. mrad 6 cm Å 37

38 38

39 TESLA X-FELX 39

40 40

41 LCLS E σ E /E I p ε n λ u K λ 14.3/4.5 GeV 0.01/0.05 % 3.4 ka 1. mm. mrad 3 cm /15 Å 41

42 4

43 43

44 Road Map for SASE X-FELX nm nm nm nm nm 01? 0.15 nm TTF at DESY VUV-FEL at DESY LCLS test FEL at Stanford Spring-8 8 X-FELX X-ray FEL at TESLA at DESY CLIC X-FEL X 44

45 SCSS X-FEL X (Japonya) 45

46 46

47 47

48 48

49 CLIC X-FELX 49

50 CLIC X-FELX 50

51 51

52 TAC SASE SEL Ana Parametreler Elektron demeti: Enerji : 130 MeV Lorentz Faktörü : 60 Pik demet akımı : 9.6 A Normalize emittans :.10-7 m rad. Paketçik başına parçacık sayısı : Tekrarlanma frekansı : 30 MHz Enine demet yarıçapları : 1 µm Beta fonksiyonu : 0.5 cm Paketçik uzunluğu : 0.1 cm 5

53 Salındırıcı (Undulator): Periyod uzunluğu : 3 cm K parametresi :.98 Magnetik alan : 1.07 T Enine kutup aralığı : 6.70 mm Uzunluğu : 7.5 m Kutup sayısı : 50 53

54 SASE Serbest Elektron Lazeri: Dalgaboyu : 110 nm Enerjisi : 1.05 ev Doyma uzunluğu : 7.5 m Doymuş güç değeri : GW ρ parametresi : Ortalama akı : (foton/s/mrad/%0.1bg) Parlaklık : (foton/s/mm /mrad /%0.1bg) 54

55 TAC-SEL in akı-enerji grafiği 55

56 SEL in UYGULAMA ALANLARI Atom ve molekül Fiziği 1. Atom Fiziği Çoklu iyonlaşma Çoklu kor deşik oluşumu Đç kabukların çoklu foton iyonizasyonu Yüklü iyonların uyarımı ve iyonizasyonu 56

57 . Molekül Fiziği Çoklu iyonizasyon ve lineer olmayan etkiler Rezonans elastik saçılma ve lineer olmayan etkiler 3. Yığınlar Yığınların çoku iyonizasyonu ve lineer olmayan etkiler X-ışınları saçılması yoluyla zaman çözümlemeli yapı tayini Yığın titreşimleri ve reaksiyonları Faz geçişleri ve yığın eritilmesi 57

58 Plazma Fiziği 1. Plazmanın X-Işınları Đle Etkileşmesi. Yapı Yoğunluğunda Plazma oluşumu X-Işını atmalarına hidrodinamik tepki Denge dışı plazma durumları Az yoğun maddenin araştırılması 3. Plazma Spektroskopisi Plazma durumunun tayini X-ışını lazer geçişlerinin araştırılması 58

59 Yoğun Madde Fiziği 1. Magnetizma. Magnetizmada açık problemler Magnetik bölgeler, yüzeyler ve ince filmler Jel magnetizması 3. Faz Dönüşümleri Akıllı malzemeler Faz geçişlerinin dinamiği 59

60 4. Sıvılar ve Düzensiz Sistemler 5. Ekstra koşullar altındaki Malzemeler Yüksek basınç ve sıcaklık fazları 6. Uyarımlar Elektron gevşeme süreçleri Yoğun madde içinde çoklu foton uyarılmaları Kollektif uyarılmalar 60

61 Yüzey ve Ara yüzey Çalışmaları 1. Yüzeylerden Zaman Çözümlemeli X-ışını Saçılması Faz geçişleri esnasında kısa süreli ara durumlar Katı fazın kararlılığı ve erimenin doğası Sürtünme ve kaymanın zaman çözümlemeli yapısal analizi Lazer kaynaklı süreçlerin X-ışını ile kısa süreli izlenmesi 61

62 . Sıvı ve Yumuşak Ara Yüzeyşer Biyolojik sistemler Yumaşak malzemeli filmlerin incelenmesi Sıvılar ve sıvı filmler Lokalize sıvılar Elektrolitik ara yüzeyler Deneysel Düzenekler 6

63 3. Düşük Boyutlarda Kollektif Uyarılmalar Örgü kararsızlıklarına dayalı akıllı malzemeler Örgü kararsızlıkları ve yüksek yoğunluklu birleşmeler Nano mertebeli sürtünmeler Mikro yapılar içinde ısısal taşınım Deneysel düzenekler * Elastik olmayan nükleer rezonans saçılma * Koherent elastik olmayan X-ışını saçılması 63

64 Malzeme bilimi 1. Sert Malzemeler Mezo sistemlerin üç boyutlu yapısal karakterizasyonu * Metaller * Seramikler Dinamik Süreçler ve zaman çözümlemeli araştırmalar Prof. Dr. Deneysel Ömer Yavaş düzenekler 64

65 . Polimerler Yapısal değişimler Polimerlerin dinamiği Malzeme özellikleri 3. Nano Malzemeler Nano spektroskopisi Nano kristallerin yapısı Küçük nesnelerin görüntülenmesi 65

66 Kimya 1. Femtokimya. Analitik Katıhal Kimyası Nanometre mertebeli spot büyüklüğü ile üç boyutlu tomografi ve iki boyutlu haritalama Düşük dirençli elementlerin araştırılması 3. Heterojen Kataliz Fotoelektronların spektroskopisinde yeni yaklaşımlar Gerçek katalizlerin faz bileşimleri Prof. Kataliz Dr. Ömer Yavaş reaksiyonları 66

67 Yaşam Bilimleri 1. Çevirme Simetrisine Sahip Olmayan Makromoleküler Altyapılar. Mikro ve iki boyutlu Kristaller 3. Biyomoleküllerin Fonksiyou 4. Makromoleküllerin Dinamiği 5. Hücresel Yapılar 6. Alternatif Fazlama Metodu 67

68 Lineer Olmayan Süreçler ve Kuantum Optiği 1. Lineer Olmayan Optik ve Kuantum Optiği. Sebest Elektronlar Foton ekleme ve çıkarımı Parametrik büyütme 3. Temel Yüksek-alan Birimi Bir lazer alanı içinde kuantum elektrodinamiği vakum bozunumu 68

69 4. Atom Optiği Dipol kuvvetleri, atom örgüleri Atom girişim ölçümü 5. Faz Çiftlenimi 6. X-Işını Optik Elemanları 69

70 Ulusal HızlandH zlandırıcı Projesi Araştırma rma Grubu science.ankara.edu.tr 70