TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ PROTON HIZLANDIRICISI (THM-PHT) : GENEL DURUM

Transkript

1 TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ PROTON HIZLANDIRICISI (THM-PHT) : GENEL DURUM LATİFE ŞAHİN YALÇIN İSTANBULÜNİVERİTESİ PROTON HıZLANDıRıCıSı GRUBU ADıNA ULUSAL PROTON HIZLANDIRICILARI ÇALIŞTAYI Nisan 2013 TAEK Proton Hızlandırıcısı Tesisi (TAEK-PHT), SANAEM Sarayköy/ANKARA

2

3 İçerik Genel bakış Proton demet kullanımı ve uygulama alanları TAC-PAF Kullanıcı potansiyeli araştırması İlk önerilen LİNAC yapısı ve alt bileşenleri Revize LİNAC yapısı ve alt bileşenleri Planlanan yeni deneysel istasyonları ve uygulama alanları PH grup sunumlar Sonuçlar

4 Genel Bakış Proje: Türk Hızlandırıcı Merkezi Proton Hızlandırıcısı Tesisi (THM-PHT) Amaçlar:. Yüksek-güçlü proton linak tasarlamak ve inşa etmek. Proton Demet Kullanımını ve Hızlandırıcı Uygulama Teknolojileri geliştirmek. Ar-Ge programları desteklemek Dönem:

5 Parçacık Hızlandırıclarının 3 temel uygulama alanı Bilimsel araştırmalar Tıbbi uygulamalar Endüstride uygulamalar

6 Proton ışınlarının kullanımı ve Uygulama Alanları (1 kev-1 TeV 1nA-100 ma) Endüstriyel ve Savunma Uygulamaları (10 kev - 10 MeV, 1nA-30 ma) Uzay Uygulamaları (2 MeV MeV, 1nA-4nA) Biyolojik ve Tıbbi Uygulamalar (3 MeV-4GeV, 10nA-30 ma) MW ışını kullanım alanları (RNB, ADS vb) (300 MeV-3 GeV 600µA-30 ma) TAC-PAF

7 THM-PHT Kullanıcı Potansiyeli Araştırması Proton kullanıcı tesisleri için talep araştırması, 6 Mayıs-28 Mart 2012 döneminde gerçekleştirildi. Workshop on Turkish Accelerator Center Proton Accelerator Facility - Machine and Research Potential isimli çalıştay 7-8 Mayıs 2012 de gerçekleştirildi Proton kullanıcı çalıştayına katılmak ve / veya sunmak için çoğunlukla tıp alanından (Radyasyon Onkolojisi, Nükleer Tıp ve Sağlık Fiziği) katılımlar oldu.

8 Önceki THM- PHT Üç aşaması Aşama 1: 3 MeV iyon kaynağı, Düşük Enerji Demet Transport (LEBT) ve Radyo Frekans Kuadropol (RFQ); Aşama 2: iki aşamada inşa edilebilir MeV 350 MHz lineer hızlandırıcısı, - faz MeV Drift Tüp Linak (DTL) ve faz 2 bir MeV Coupled-Boşluk DTL (CCDTL olduğunu ), CERN'deki LINAC4 projeye benzer; Aşama 3: 1 GeV bir 1 MW proton tesisi - muhtemelen bir 700 MHz Coupled Kavite Linak (CCL)

9 THM Proton Linak İlk Parametreler(A.Çalışkan) PARAMETER VALUE UNIT Particle Type H - - Input Energy 3 MeV Exit Energy 1000 MeV Bunch Frequency 350 MHz Peak Current 30 ma Average Current 0.03 ma Beam Pulse Length 300 µs Beam Duty factor 9 % Repetition Frequency (Recommended) Number of Particles Per Pulse Input Norm. Emittance (Transverse) 30 Hz 5,3x ,276 mm.mrad

10 Önceki THM- PHT Üç aşaması 45 kev 3 MeV 55 MeV 100 MeV H - Source LEBT RFQ Chopper DTL CCDTL 100 MeV 160 MeV 1 GeV SCL or PİMS Low beta High beta PAF LE PAF HE

11 Önceki THM- PHT Üç aşaması 45 kev 3 MeV 55 MeV 100 MeV H - Source LEBT RFQ Chopper DTL CCDTL Stage 1 Stage 3 Stage MeV 160 MeV 1 GeV SCL or PİMS Low beta High beta

12 Çalıştay sonrası revize LINAC şeması Negatif iyon kaynağı pozitif bir iyon kaynağı ile değiştirilecektir. İyon kaynağı ile RFQ arasında LEBT yapısı 3 MeV RFQ hızlandırıcısı bir orta enerjili ışın aktarma(mebt) hattı ve bazı diyagnostik elemanları tarafından takip edilecektir. 3 MeV demet enerjisi yaklaşık 65 MeV enerjiye sürüklenme tüpü (DTL) tarafından hızlandırılacaktır. 65 MeV den 150 MeV e hızlandırma bir SC-spoke kavite ve 2 GeV e hızlandırmada 2 SC- Elliptik kaviteler tarafından sağlanacaktır.

13 Çalıştay sonrası revize LINAC şeması PAF-LE PAF-HE Stage 1 Stage 2 Stage 3

14 İyon Kaynağı Araştırması(H.Çetinkaya) KAYNAK TİPİ İYON TÜRÜ AKIM Duoplazmatron H+, döteron, alfa 500 ma e kadar Mikrodalga Off Resonance (Discharge) Kaynaklar Mikrodalga (ECR) Kaynaklar EBIS Vakum Atma (Arc) iyon kaynakları Penning İyon Kaynaklar H+ 100 ma e kadar H+, Çok yüklü pozitif iyonlar çok yüksek yük durumlu pozitif iyonlar Metalik iyon demeti Düşük yüklü hafif iyon Filament problemi ile çok karşılaşılıyor (yüksek duty faktörlerde ayda değişim düşük akımlarda problem yok). 1 yıldan uzun ömür, yüksek akımlarda başlangıçta düşük vakum problem olabilir. Microwave Discharge İyon Kaynağı ndan sonra yapılabilir. RF Kaynak H+ Plazma şişesinin metalleşmesi

15 Hangi İyon Kaynağı? Hızlandırıcıların kullandığı kaynak tipi, hangi tür iyonlara ihtiyaç duyulduğuna ve gerekli olan demet akımına bağlıdır. Seçim, daha çok uygulama alanlarına göreşekillenecektir. Yapacağımız hızlandırıcı için ma arası bir akım gerektiği, H+ iyonlarını üretme amacımızın olduğu göz önünde bulundurulursa uzun ömürlü mikrodalga deşarj proton kaynakları ile yaygın kullanımlı duoplazmatron arasında bir seçime gidilebilir. Harici RF antenli multicusp ile ECR kaynaklarda ihtiyaca göre değerlendirmeye alınabilir.

16 THM PHT için Düşük Akımlı Microwave Discharge İyon Kaynağı Test Standı Önerisi µa mertebesinde olması planlanmaktadır. Kurulması planlanan tesisin ihtiyaçlarını karşılayacak düzeyde olmayacaktır. *SANAEM de Ali ALAÇAKIR dan destek alınmıştır.

17 İyon kaynağı test standı ile ilgili yapılan çalışmalar Plazma oluşturma işlemi için kurulan sistem Plazma Odası

18 Plazma

19 THM Proton Hızlandırıcısı DTL Tasarımı (V.Yıldız, E.Bozkurt) Hızlandırıcı dizaynı üç aşamada yapılmaktadır Cavity (cell) Dizayn SUPERFISH DTL : DTLfish, DTLCell, MDTfish, MDTCell Linac Dizayn PARMILA Demet Dinamiği ve Tasarım programı Demet Dinamik Simülasyonu PATH and PARMILA

20 THM PHT DTL Hızlandırıcısı Parametreleri Tank1 Tank2 Tank3 Frekans MHz MHz MHz Tank çapı 53 cm 53 cm 53 cm Delik yarıçapı 1 cm 1 cm 1 cm Köşe yarıçapı 0.6 cm 0.6 cm 0.6 cm İç burun yarıçapı 0.4 cm 0.4 cm 0.4 cm Dış burun yarıçapı 0.4 cm 0.4 cm 0.4 cm Yüzey uzunluğu 0 cm 0 cm 0 cm Yüz açısı Stem çapı 2.5 cm 2.5 cm 2.5 cm Sürüklenme tüpü çapı 9 cm 9 cm 9 cm Giriş Enerjisi 3 MeV MeV MeV Çıkış Enerjisi MeV MeV MeV Hücre Sayısı RF gücü MW MW MW Uzunluk cm cm cm Toplam Uzunluk m Tank çapı belirlenirken etkin shunt empedans değerine göre 51.5 cm seçilmişti fakat elektrik alan dağılımı tank çeperine paralel olacağından dolayı tank çapı 53 cm olarak optimize edilmiştir.

21 Tank 3 deki elektrik alan dağılımının yakından görünümü.

22 Önceki THM-PHT Uygulama alanları şeması B: Neutron Applications 1. Neutron Radiography 2. BNCT C: Proton Applications 1. İsotope Production 2. Proton Therapy D: Neutron Region 1. Magnetism 2.Structural Materials 3. Polymers 4. Industry 5. Electronics IS RFQ DTL CCDTL ACS SC Linac E:Accelerator Driven Systems 1. Nuclear Waste Transmutation 2.Nuclear Energy Production A: Front Linear Accelerator F: Radioactive Ion Beams 1. Nuclear Physics 2. Nuclear Astrophysics

23 Revize THM-PHT Uygulama alanları şeması Industrial and Defense Applications: 1. Neutron radiography 2. Neutron source 3. Mine detection 4. Nano-technology 5. Semiconductor application Nuclear Physics Material Science: 1.Microbeam Biological and Medical Research Neutron Region: 1.Isotope production 2.Magnetism 3.Structural Materials 4.Polymers 5.Industry 6.Electronics 3 MeV H+ RFQ LINAC Front Ends 20 MeV 65 MeV 150 MeV 250 MeV DTL 1 DTL 2 SC- Spokes SC- Elliptical SC-Elliptical 2 GeV Accelerator Driven Systems 1. Nuclear Transmutation 2. Nuclear Energy Space Applications Radioisotope Production Proton Therapy Radioactive Ion Beam 1. Nuclear Physics 2. Nuclear Astrophysics

24 THM-PHT Düşük enerji muhtemel uygulama alanları Endüstriyel ve Savunma Uygulamaları Uzay Uygulamaları Malzeme Bilimleri Nükleer fizik Biyolojik ve Tıbbi Araştırma İzotop Üretimi Proton Terapisi-AR&GE

25 Endüstriyel ve Savunma Uygulamaları Nötron radyografi Nötron kaynağı: Betonarme binalarda demir kalınlığının tayini, Patlayıcı ve uyuşturucu madde tespiti, Beton ve kerestelerde rutubet miktarı tespiti Nanoteknoloji: Protonlarla sert bir malzemeyi nano boyutunda çok ince filmlere kesmek için Yarıiletken uygulamaları: Hızlı açma kapama özellikli yarıiletken anahtar

26 Nötron Radyografi (N.Hafızoğlu) Bu yöntem malzeme görüntüleme teknikleri arasında en gelişmiş olanıdır. Özellikle X-ışınlarına göre maddelerdeki giriciliği oldukça yüksektir. Ağır metallerin iç yapısını anlamakta en etkili yöntemdir.

27 Nötron Radyografi Biyoloji Bitkiler, fosil örnekleri Elektronik, Elektrik Mühendisliği Devre anahtarları, izolatörler, piller Hava ve Uzay Sanayi Enerji Depolama piller, yakıt hücreleri Otomobil Endüstri Motorlar, dökümler, kompozit malzemeler Nükleer Endüstrisi Yakıt elemanları Silah Sanayi Ateşleyiciler Arkeoloji Bronz veya demir örnekleri, tarihi eser incelenmesi Petrol ve Gaz Arama Türbin motorları, türbin bıçakları, problar

28 Koruma Duvarları Kapı Görüntüleme Sistemi Görüntülenecek Nesne Nötron Demeti CC D P C Koruma Duvarı Kolimatör

29 NASA Uzay Radyasyon Lab.( BNL) Uzay radyasyonu ortamını simüle etmek için NASA yeryüzünde araştırma lab. kurmuştur(brookhaven)

30 Uzay Uygulamaları (1MeV-900 MeV,1nA-4nA) Uzay radyasyonu proton demetleri ile üretilebilir. Uzay radyasyonu enerjisi ev den ev kadar değişen birçok parçacıktan oluşmaktadır. Yüksek enerjili protonlar uzay aracındaki yarıiletken malzemelere ve bileşenlere zarar verebilir. Astronotlar üzerindeki radyasyonun biyolojik etkilerini araştırmak için önemli olacaktır.

31 Malzeme Bilimi (E. Algın) Mikrodemet Schematics of the conceptual design of PEFP s microbeam (Korea) 1 µm dan küçük noktasal proton demeti malzeme bilimi, tıp ve biyoloji vb. alanlarda kullanılmaktadır Hidrojen yoğunluk belirleme Proton Litografi Nano-yapılar

32 Proton Demeti (20 MeV) THM-PH Mikrodemet Tasarımı(A.Kılıçgedik) Slit Slit Enerji Degrader (<2.21 mm) 20 cm 25 cm Slit Kuadrupol Magnet PIXE için Si(Li) Detektör 100 cm Hedef Kolimatör 43.8 cm RBS için SSB Detektör

33 DEMET PARAMETRELERİ Enerji (MeV) 20 Frekans (Mhz) /0.24/0.14 α -1.68/2.80/0.56 β (mm/mrad, derece/ MeV) 0.55/1.19/136.8 Kuadrupol Magnetler Pole-tip Field (Kgaus) Effective Lenght (cm) Pole-tip radius of aperture (cm) Slitler Düşey Yarı açıklık 0.5 mm Q Q Q Yatay Yatay Kolimatör 0.2 mm 1 mm 0.8 mm

34

35 Proton Litografi MeV enerjili protonlar ile Mikroyapının 3D çizimi Direkt yazım prosesi

36 Proton Litografi Mikrofotonik cihazlar (optik yükselteçler, optik anahtarlar vb.) Bioyapılar, biochipler

37 Biyoloji ve Tıp Alanında Uygulamalar Radyasyon biyolojisi çalışmaları Mikroorganizmaların ve bitkilerin mutasyon çalışmaları Kanser hücre çalışmaları

38 Nükleer Fizik Nükleer yapı çalışmaları Nükleer Reaksiyonlarda tesir kesit ölçümleri Nükleer dedektörlerin geliştirilmesi ve test edilmesi

39 Proton Terapi(Ar-Ge) ( MeV protons) Proton terapi merkezi TAC proton hızlandırıcı tesisi Ar-Ge uygulama alanı olarak düşünülebilir Proton terapi MeV aralığında enerjiye sahip proton demetleri ile yapılabilir. Gözde oluşan tümörler na lik akıma ve MeV enerjiye sahip protonlar ile tedavi yapıla bilinir. 10 cm derinlikte bir tümör 250 MeV enerjili protonlar ile tedavi edile bilinir.

40 Radyoizotop Üretimi

41 THM-PHT Yüksek enerji muhtemel uygulama alanları Nötron uygulamları: Nötron spallasyon ADS-Hızlandırıcı sürümlü sistemler Radyoaktif iyon demet

42 Nötron Spallasyon Nötronlar yüksek enerjili protonları ağır bir hedef üzerine göndererek elde edilir. (tungsten,tantalum, mercury, liquid mercury targets ) Malzeme ve yaşam bilimi çalışmalarında Endüstriyel malzemelerin iç yapısı geliştirmek

43 Nötron Spallasyonunun Uygulama Alanları

44 Nötron Spallasyonunun Uygulama Alanları

45 Hızlandırıcı Sürümlü Sistem Araştırmaları

46

47 Radyoaktif atık dönüşümü

48 Radyoaktif İyon Demetleri Erken evrende oluşan elementlerin nükleosentezinin anlaşılmasına yönelik nükleer reaksiyon çalışmaları Supernova patlaması, X-ray burst

49 İş Dökümü yapısı(wbs) TESİS /YIL PH-LE PH-HE R&D, CDR TDR Build. and Installation Operations

50 PH Grubu Sunumları Ela Ganioğlu - THM Proton Hızlandırıcısı WBS Yapısı Emel Algın - Proton Hızlandırıcılarındaİyon Demeti Analizleri Abdullah AYDIN- 99Mo ve 225Ac İçin Proton Hızlandırıcısına Dayalı Farklı Üretim Yöntemlerinin İncelenmesi Fatma Çağlar ÖZTÜRK - THM PHT LEBT Solenoid Magnet Tasarım Çalışmaları Hasan Fatih KIŞOĞLU - Demet Dinamiksel Parametrelerin Solenoid ve Kuadrupoldeki Gelişimi Veli YILDIZ : Proton Hızlandırıcılarına Dayalı Nötron Kaynakları Bahar DİRİCAN - Proton Terapi Teknikleri

51 Sonuç Diğer laboratuvarlar ile yakın işbirliği projenin ilerlemesi açısından çok önemlidir(cern, ESS, vb.). Proje elemanlarının teknik deneyim kazanması için bu lab.lar ile resmi işbirliği için girişimler devam etmektedir 250 MeV lik hızlandırıcının projesi 2014 te DPT ye sunulmak üzere hazırlık aşamasındadır.

52 TEŞEKKÜRLER!