Sinkrotron Işınımı Tesislerinde Dünyadaki Durum, TURKAY Tesisi ve Türkiye İçin Önemi ve TURKAY Tesisi Tasarım Çalışmalarının Sonuçları

Transkript

1 THM-YUUP Projesi Genel Değerlendirme Çalıştayı MART 2015 HTE, ANKARA ÜNİVERSİTESİ Sinkrotron Işınımı Tesislerinde Dünyadaki Durum, TURKAY Tesisi ve Türkiye İçin Önemi ve TURKAY Tesisi Tasarım Çalışmalarının Sonuçları Zafer Nergiz Niğde Üniversitesi

2 İçerik Sinkrotron Işınımı Nedir. Sinkrotron Işınımı nasıl üretilir. Dünyadaki SI Tesisleri ve Durumları. Dünyadaki benzerleri ile Tasarımın Karşılaştırılması. Proje Sonunda Tasarıma Dair Yapılanlar Depolama Halkası Tasarımı o Parametreler ve Demet Dinamiği o Magnet Tasarımları o Kovuk Seçenekleri o Işınım Kaynağı Tasarımları ve Özellikleri Enjektör ve Ön Hızlandırıcı Tasarımları Alt Sistemler Bütçe, Personel, Kurulacak yer önerileri.

3 Sinkrotron Işınım Nedir Bilimsel araştırma yapılacak alanlarda incelenecek materyallerin boyutları ile ilişkili olarak yeni deneysel yöntemlere ihtiyaç duyulmaktadır.

4 SI ne işe yarar Atom, Molekül veya protein düzeyine inildiğinde farklı yöntemler gereksinimi var Bu tip deneyler için en uygun x-ışını kaynağı SI kaynaklarıdır: Ayarlanabilir dalgaboyu Yüksek parlaklık parametresi. Aynı anda farklı disiplinlerden çok sayıda bilim insanının çalışmalar yaptığı büyük deney aletleridir.

5 SI nasıl Üretilir Bir SI Kaynağı Temelde Üç Kısımdan Oluşur Elektron Kaynağı ve Enjektör Elektron paketiçikleri elektron kaynağından üretilir. Doğrusal hızlandırıcıda enerjileri 100 MeV e çıkarılır. Öteleyici Halka Elektronların enerjisi ihtiyaç duyulan enerjiye çıkarılır Depolama Halkası Elektronlar burada sabit enerjide tutulur ve SI burada üretilir. SI nın özellikleri halkanın parametrelerine bağlıdır.

6 SI Kaynakları Tarihçesi Birinci nesil SI kaynakları Yüksek enerjili elektron sinkrotronları yüksek enerji fiziği için kullanılmaya başlandı. Burada oluşan ışınım parazitik olarak görülüyordu. Diğer fizikçiler çöp olarak algılanan bu ışınımla ilgilenmeye başladılar da Daresbury de 6 GeV lik Parçacık fiziği deneyleri için yapılmış NINA elektron sinkrotronunda ilk demet hattı.

7 SI Kaynakları Tarihçesi 2. Nesil SI ışınım kaynakları 70 lerin sonlarında kurulmaya başladılar. Eğici magnet ışınımını kullanıyorlardı lerde Brookhaven de demet hatları kurulmadan önce VUV halkası Görüldüğü üzere salındırıcı magnetler için yer yok.

8 SI Kaynakları Tarihçesi 3. Nesil Işınım kaynakları Bunlarda öncelikli ışınım kaynakları salındırıcı (undulator) magnetlerdir. 90 ların başlarında kullanılmaya başlanmıştır. ESRF, Grenoble DIAMOND, UK

9 Dünyadaki SI Tesisleri Amerika kıtasında çoğunluğu A.B.D. de olmak üzere 9 Asya kıtasında çoğunluğu Japonya da olmak üzere 15 Avustralya da 1 Avrupa kıtasında 18 adet kurulmuş veya kurulma aşamasında SI Veriler sitesinden alınmıştır

10 Bazı SI Kaynağı Parametreleri Işınım Kaynağı Enerji (GeV) Çevre (m) Emittans (nm rad) Akım (ma) M.siz.B.SxUzunluk Durum ESRF x6.3 m Çlş. (1993) APS x6.7 m Çlş. (1996) Spring x7 m, 4x30 m Çlş. (1997) ALS x6.7 m Çlş. (1993) TLS x6 m Çlş. (1993) ELETTRA x6.1 m Çlş. (1994) PLS x6.8m Çlş. (1995) LNLS x3m Çlş. (1997) MAX-II x3.2 m Çlş. (1997) BESSY-II x4.9 m,8x5.7m Çlş. (1999) Siberia-II x3 m Çlş. (1999) N. Subaru x2.6 m, Çlş. (2000) ANKA x5.6 m,4x2.2m Çlş. (2002) SLS x11.7m,3x7m, 6x4 m Çlş. (2001) CLS x5.2m Çlş. (2003) SPEAR x3 m,4x4.5m, 2x7.5 m Çlş. (2004) SAGA-LS x2.5 m Çlş. (2006) SOLEIL x12m, 12x7m, 8x3.8m Çlş. (2007) Diamond x11.3m,18x8.3m Çlş. (2007) ASP x5.4m Çlş. (2008) Indus II x4.5m Çlş. (2008) SSRF x12m,16x6.5m Çlş. (2009) ALBA x8m,12x4.2m, 8x2.6 m Çlş. (2010) PETRAIII x4 m Çlş. (2010) CANDLE x4.8 Planlama MAX IV 1.5/3.0 96/ / /20x5m İnşaat PLS-II x6.8m,12x3.1m Çlş. (2012) TPS (NSRRC) x7m,6x12m Çlş. (2015) NSLS-II x6 m, 15x9.3m İnşaat SESAME x5m,8x3.5m, 4x1.9m İnşaat ILSF x8m, 4x6m Planlama

11 Yapım ve Proje Aşaması nda SI tesisleri Yapım aşamasında İsveç te MAX-IV, Brezilya da SIRIUS, Polonya da SOLARIS, ABD de NSLS-II Ürdün de SESAME Proje Aşaması nda Ermenistan da CANDLE, Türkiye de TURKAY İran da ILSF SESAME de Öteleyici halka magnetleri ILSF (Iran Light Source Facility) Kazvin de kurulacağı arazi

12 Türkiye İçin Önemi SI Tesisi Fizik, Kimya, Biyoloji, Malzeme Mühendisliği gibi çok farklı bilim dalında araştırmalara olanak sağlamaktadır. Sanayinin bir çok ürününde yapılacak gelişmeler burada yapılan çalışmalar ile sağlanmaktadır (Yarıiletken teknolojisi, optoelektronik, ilaç sanayi vs.) Tesis, İşletme aşamasında gerek demet hatlarının kiralanması gerekse sponsor firmalar ile kendisini kısmen finanse edebilmektedir. Örneğin İsviçre de Paul Scherrer Enstitusu nde bulunan SLS de 3 protein kristalografi demet hattından ikisi Novartis, Roche gibi ilaç firmaları tarafından finanse edilmektedir.

13 Proje sonunda tasarıma dair yapılanlar Enerjinin Belirlenmesi Üçüncü nesil ışınım kaynakları enerjileri bağlamında üçe ayrılır Düşük Enerjili Dezavantajı üretilen x ışını kalitesinin düşük olmasıdır. Yüksek Enerjili Dezavantajı boyutlarının büyük olması sebebi ile çok pahalıdır. Demet hattında kullanılan cihazların aşırı ısınması dolayısı ile zarar görmesi de yüksek enerjili ışınım kaynaklarının bir diğer dezavantajıdır. Orta Enerji (2-4 GeV) Daha düşük bütçede daha geniş spektrum sağlamaktadır TURKAY SI tesisi için 3 GeV lik Enerji seçilmiştir.

14 Bazı SI kaynaklarının Enerji Çevre Karşılaştırması Son dönem SI kaynağı projeleri

15 Emittans Emittans demetin dağılmasının bir ölçüsü Depolama Halkasının karakteristiği Parlaklık: 6 boyutlu faz uzayında foton sayısı Emittansın karesi ile ters orantılı olarak parlaklık artar. Depolama halkası Parametrelerinde Hedef 3 GeV elektron demet enerjisi Düşük emittans 1 nm rad ın altı Mümkün olduğunca düşük çevre Bu Çerçevede Depolama halkası tasarımında Ulaşılanlar TURKAY 477 m halka çevresi, 0.51 nm rad emittans TURKAY II 529 m halka çevresi 0.32 nm rad emittans

16 Emittans çevre ilişkisi

17 Yapılmakta ve Proje aşamasında SI Kaynakları Işınım Kaynağı Çevre (m) Emittans (nmrad) Magnetsiz Böl. Sayısı x Uzunluk (m) TURKAY x5 MAX-IV / x5 NSLS-II /0.5 15x6, 15x9.3 ILSF x8, 14x6 SIRIUS x9, 4x7, 12x5 TURKAY x5

18 Parametreler Dört eğici magnetli temel hücre tasarlandı 0.51 nm rad lık emittans değeri sağlanmıştır. 477 m çevresi olan bir depolama halkası tasarlanmıştır. Toplam 80 eğici magnet, 320 adet dört kutuplu magnet ve 460 adet altı kutuplu magnet Eğici Magnet Kuadrupol Magnet Sekstupol Magnet Parametre S.D. Modu Akhr. Modu Enerji (GeV) 3 3 Çevre (m) Demet Akımı (ma) 500 ma 500 Bet. Ayarı Q x /Q y 31.19/ /6.18 Doğal Kromatisiti x 0x /x 0y -70/-38-84/-43 Düzeltilmiş Kromatisiti x x /x y 0.0/ /0.0 Enerji kaybı / tur (kev) Y. emittans (nm) D. emittans (nm) Maksimum b x (m) Maksimum b y (m) b x Magnetsiz Bölgelerin ortasında (m) b y Magnetsiz Bölgelerin ortasında (m) D x Magnetsiz Bölgelerin ortasında (m) Magnetsiz Bölgelerin sayısı Magnetsiz Bölge uzunluğu(m) 5 5 RF Voltajı (MV) RF Frekansı (MHz) Harmonik Sayısı Max. Number of bunch Paketçik Yükü (nc) RMS Paketçik Uzunluğu (mm) RMS Enerji Yayılması (%) Momentum Kabulü (%) Çiftlenim(%) 1 1 Momentum sıkıştırma faktörü Touschek Demet Ömrü(h) Işıma integralleri - - I 1 (m) I 2 (m -1 ) I 3 (m -2 ) I 4 (m -1 ) I 5 (m -1 )

19 Magnetler C tipi eğici Magnet Sarımlardan geçen akım yoğunluğu 1.55 A/mm 2 lik (Toplam akım 4200 A) Manyetik Alan 0.52 T Uzunluk 1.50 m Kutuplar arası boşluk 20 mm Düşük Manyetik Alan ın Avantajları Magnet maliyeti düşer. Rf ve eğici magnetler için gereken güç daha düşüktür Su soğutma daha kolaylaşır Pompalama işi kolaylaşır. Optik aletlerdeki soğutma işi daha az sorunludur Bz T X mm

20 H Tipi Eğici Magnet 50 mm boşluk için Bir sarımdan geçen toplam akım A Düzgün manyetik alan bölgesinde magnetin alan değişimi kesirsel olarak db/b<10-4 Çekirdek Sarım

21 Dört Kutuplu Magnet 23 T/m lik kuadrupolün değerinin sağlanması hedeflenmiştir. İyi manyetik alan bölgesi yaklaşık 2 cm Bu bölgede manyetik alan gradyentinin toleransı 4x10-4

22 RF Kovuk Seçenekleri Süperiletken (SC) ve normal iletken (NC) olmak üzere, hızlandırıcılarda iki tip rf kovuk kullanılmaktadır. SC Kavitelerin Avantajları Demet emittansı ve karalılığını bozan çoklu paketçik kararsızlıklarına sebep olmaları sebebi ile HOM (High Order Mode) etkileri demete çok büyük zararlar verebilir. SC kavitelerde HOM etkileri hemen hemen sıfırdır. SC kaviteler oldukça verimlidir. SC Kavitelerin Dezavantajları Ancak çok kompleks ve pahalı olan kryogenik (Cryogenic) altyapıya ihtiyaç duyarlar. daha pahalıdır. Demet hattı üzerinde daha büyük bir magnetsiz bölgeye ihtiyaç duyarlar. Buda salındırıcılar için ayrılmış bir veya daha fazla magnetsiz bölgenin rf için kullanılması gereğini doğurur. Animasyon Veli Yıldız HPFBU 2015 okulu sunumundandır

23 RF Kovuk Tipleri KEKB tipi SRF modülünün planı CESR tipi SRF modülünün planı Demet Enerjisi (GeV) 3 Demet Akımı (ma) 500 RF Frekansı (MHz) 500 Harmonik sayısı 795 Dipollerden Tur Başına Enerji kaybı (kev) 375 ID lerden Tur Başına Enerji kaybı (kev) 320 Tur başına toplam Enerji kaybı (kev) 695 Dipollerden SI ışıma gücü (kw) 188 ID lerden SI ışıma gücü (kw) 160 Toplam SI ışıma gücü (kw) 348 Normal iletken Euro Cavity nin şekli

24 Yüksek Manyetik Alanlı Eğici Magnet Eğici magnetin toplam uzunluğu 1.5 m Eklenen yüksek manyetik alanlı magnetin uzunluğu 0.20 m. Düşük alan oluşturan sarımların akım yoğunluğu 2.0 A/mm 2, Yüksek manyetik alan oluşturan sarımların akım yoğunluğu 4.5 A/mm 2 Yüksek manyetik alan bölgesinde manyetik alan 1.7 T 1.5 Bz T X mm

25 In-Vakum Salındırıcı (IVU 25) Hibrit Tipi, Salındırıcı Periyodu 25 mm Manyetik Materyal NdFeB Kutup Materyali Saf Demir Manyetik materyalin enine ebatları 52x23 mm 2 Kutup materyalinin 40x20 mm 2 dir. NdFeB için kalıcı mıknatıslanma 1.25 T Gap 7 mm, Pik Manyetik alan 0.9 T

26 APPLE II tipi Eliptik Kutuplanmış Salındırıcı EPU 40 Ayarlanabilir polarizasyona sahip x-ışını kaynağıdır Kalıcı manyetik materyal olarak NdFeB kalıcı mıknatıslanma 1.25 T alınmıştır. Magnet bloklarının boyutu 45x45x10 mm 3 Çembersel polarize durumda tepe manyetik alan değerleri 0.6 T Lineer polarizasyon durumunda tepe manyetik alan değeri 1.0 T Çembersel Polarizasyon Lineer Polarizasyon

27 Elde Edilecek Işınımın Özellikleri Parametre IVU25 EPU40 Y.A. E. Periyot Uzunluğu (cm) Periyot sayısı Magnet D.A. E. Magnet Toplam Uzunluk (m) Minimum Boşluk (mm) Lineer Modda Pik Manyetik Alan (T) Lineer Modda Maks. K v, Çembersel Modda Pik Manyetik alan (T) Çembersel Modda Maks K h =, K v, Kritik Enerji Foton Enerji Aralığı (kev)

28 Lineer Olmayan Etkiler Farklı Momentum sapması durumları için dinamik aralık 1000 tur sonunda a)yatay düzlemde faz elipsi b) düşeyde faz elipsişekli FMA sonuçları

29 Kapalı yörünge düzeltmesi Bozulmuş yatay kapalı yörünge. 50 Tohum için çizdirilmiştir Magnetlerin hizalama hataları Dx=Dy=30 mm and Df=100 mrad Düzeltilmiş yatay kapalı yörünge. 50 Tohum için çizdirilmiştir 160 yatay ve 160 düşey düzeltici (Korrektör) kullanılmıştır

30 Elektron Kaynağı ve Enjektör (A. Aksoy)

31 Ön Hızlandırıcı Halka Parametre Değer Çevre (m) Ramping time (s) 0.25 Rf Frequency (MHz) 500 Magnetsiz Bölge Uzunluğu (m) 3.1 Süper periyot 8 Çalışma Noktası Qx/Qy 23.24, GeV de Tur başına enerji kaybı (kev) GeV de Sönüm Zamanı t x, t y, t z (ms) 25.48, 25.44, Enerji (GeV) Eğici Magnet Man. Alanı (T) e x (nm rad) Enerji Yayılması (%)

32 TURKAY-II Emittansı Daha da düşürmek için 24 Hücreden oluşan temel hücre kullanıldığı Durumda 0.32 nm rad emttans değerine ulaşılmıştır. Lineer olmayan etkilerin çalışılması gerkmektedir. Parametre Değer Enerji (GeV) 3 Çevre (m) 529 Emittans (nm rad) 0.32 Akım (ma) 500 Boşlukta disperisyon (m) 0.06 Boşlukta bx/by (m) 9.4/4.4 Frekans (MHz) 500

33 Alt Sistemler (Elektron demet Teşhisi) Ölçülen Parametre Ölçüm aleti ve Yöntem Yer Adet Enine Profil (Bozucu) Floresan ve OTR ekran, CCD Enjektör Çok kamera Enine Profil ve Emittans 1. Sinkrotron ışıması Depolama halkası 1 monitörü Emittans 1. Çoklu yarık, 1. Enjektör, 2. Kuadrupol tarama, 2. Booster ve depolama Sinkrotron Işıması monitörü halkası Ortalama Demet Akımı (Bozucu) Faraday Cup Enjektör 1 Ortalama Demet Akımı NPCT Booster ve Depolama Halkası Boyuna Profil Streak Kamera Enjektör, Booster ve Depolama Halkası Demetin Pozisyonu BPM Enjektör, Booster ve Depolama Halkası 2 1 Çok Demet Kayıp Monitörü PIN-Diode BLM Hassas Noktalar Çok

34 Foton Teşhisi (İlhan Tapan, Fatma Koçak) TURKAY GSI demet hattı ve optik masasının yerleşimi TURKAY XSI demet hattı ve optik masasının yerleşimi

35 Vakum (Emre Kazancı) Vakumu Bozan Faktörler Sistem tasarımı İlgili Standartlar Cihazlar o Mekanik Pompa o Turbomoleküler Pompa o İyon Pompası o Bağıl gaz analizörü o He kaçak dedektörü o Vakum sensörleri o Valfler Altyapı ve Prosedürler

36 Tesisle İlgili Yer Seçim Kriterleri ve Gerekli Teknik Alt Yapı 250x300 m 2 lik bir alan ihtiyacı vardır. SI tesisi, kullanılan aletler, ihtiyaç duyulan altyapı ve gerekli insan gücü özellikleri gibi birçok açıdan TARLA ile aynı özelliklere sahiptir. Bu çerçevede TARLA ile TURKAY tesislerinin yakın olması, gerek insan gücünün gerekse altyapının etkin kullanımı açısından son derece önemlidir.

37 İhtiyaç Duyulan Süre ve Kurulum Aşamaları D.D. Raporu Bina proje Bina inşaat İhale Süreçleri Kurulum İşletime Alma 2016 yılında projelendirildiği varsayılırsa tasarım raporunun detaylandırılması için üç yıllık bir süre gereklidir. Tasarım raporunun son dönemi ile bina projelendirilmesinin birlikte ilerlemesi uygun olacaktır Yılı ilk demetin elde edilmesi için gerçekçi bir tarih olarak görülebilir

38 İhtiyaç Duyulan Personel (Bilimsel, Teknik, İdari Sorumluluk Sayı Meslek Demet Dinamiği Çalışmaları 4 Fizikçi Elektron demet teşhis Çalışmaları 4 Fizikçi+Elektronik mühendisi Foton teşhis çalışmaları 4 Fizikçi Vakum Çalışmaları 4 Fizikçi+Makina mühendisi RF-Güç Kaynakları-Dalga kılavuzları 5 Fizikçi+Elektronik mühendisi Helyum soğutma santrali 3 Elektronik+Makine Mühendisi Magnet+Girder tasarımı 4 Fizikçi+Makine Mühendisi Teknik çizim 2 Makine teknikeri Salındırıcı tasarımı 4 Fizikçi+Makine mühendisi BPM elektroniği 4 Elektronik mühendisi Hızlandırma elektroniği 2 Elektronik Mühendisi LLRF 2 Elektronik mühendisi Yüksek voltaj vs. 4 Elektrik Mühendisi+teknikeri Radyasyon Güvenlik 2 Fizikçi Kontrol+yazılım 6 Fizikçi+Elektronik Mühendisi+Mekatronik Kurulum 10 Makine+Elektrik Tekniker Demet hatları 10 Fizikçi Toplam İdari personel

39 Tesisin Yaklaşık Maliyet Analizi Tesis Enerji Çevre (m) Yıl Maliyet Diamond M Australia Light Source M$ ALBA M NSLS II M$ TURKAY (Tahmini) m 263 M

40 ISAC VI (2014) Yorumları SI tesisinin tasarım çalışmalarında depolama halkası için 1 nm rad ın altında emittans değerine ulaşılmıştır. Bu oldukça iddialı ve tasarımı dünyada yapılan diğer tasarımlarla aynı yere ulaştıran bir değer olmakla beraber, daha dikkatli bir çalışma ile 0.5 nm rad ın altına inilebilir. Tasarım gurubu bu başarılan gelişmeden dolayı takdir edilmelidir. Ancak yapılacak çok iş vardır. Özellikle, enjektörün teknik tasarımı, enjektör ve depolama halkası için magnetler, vakum borusu gibi özellikler çalışmalarda yeterli derecede belirtilmemiştir. Bu detaylar olmadan WBS yapısının oluşturulması ve maliyet tahmini yapmak oldukça zor olacaktır. Kalkınma Bakanlığı ve Ankara Üniversitesinin eldeki tüm mali kaynakların TARLA projesine verilmesi direktifi TURKAY projesine negatif bir etki yapmıştır.

41 Sonuçlar SI tesisleri teknolojik çalışmalara hizmet eden en önemli deney araçlarından bir tanesidir Dünyada bir çok gelişmiş ve gelişmekte olan ülke bu alt yapıya sahip veya sahip olma aşamasındadır. Türkiye nin bu tesisin yokluğu sebebi ile bu makinaya ihtiyaç duyan araştırmalarda diğer ekonomileri yakalama şansı yoktur. Proje daha doğru ekonomik imkanlar ile bugün desteklenmeye başlansa tesisin kurulması ve kullanıcı potansiyelinin gelişerek ürün alınmaya başlanması 10 yıl kadar bir zaman alacaktır. Proje süresince demet dinamiği çalışmaları ile dünyadaki rakipleri ile kıyaslanabilir bir tasarım yapılmıştır. Kullanılacak magnetler ve Işınım kaynakları için tasarımlar yapılmıştır. Elde edilecek ışınımın özelikleri belirlenmiştir ve tasarlanan halkadan elde edilecek ışınımın özelliklerinin kullanıcı ihtiyaçlarını fazlaca karşılayacağı görülmüştür. Kullanılacak Alt sistemler üzerine çalışmalar yapılmıştır (Demet teşhisi, foton teşhis vakum vs.) ve ihtiyaçlar belirlenmiştir. Elektron kaynağı, enjektör öteleyici halka gibi gereksinimler üzerine tasarım çalışmaları yapılmıştır.

42 Sonuçlar Demet dinamiği ve Fizik yönü ile bugüne kadar yapılan çalışmalar yeterlidir. İşin mühendislik yönü ile ilgili teknik çizimler, elektronik altyapı, elektrik alt yapısı, bina detayı, kontrol vs. gibi konularda eleman ve kaynak eksikliği sebebi ile çalışma yapılamamıştır. Bugüne kadar yapılan çalışmaların boşa gitmemesi isteniyor ise demet dinamiği çalışmalarını devam ettirmek üzere 5, mühendislik çalışmalarının yapılabilmesi 15 kişilik fizikçi ve mühendisin (makine ve elektronik) ekibinin oluşturulması ve maddi alt yapının sağlanması gereksinimi vardır.

43 TEŞEKKÜR THM TURKAY tesisinin tasarımı çalışmalarının her aşamasında destek olan Prof. Dr. Helmut Wiedemann, Prof. Dr. Ercan Alp ve Prof. Dr. Zehra Sayers olmak üzere emeği geçen tüm ISAC üyelerine, demet dinamiği çalışmaları konularında yardımları dolayısıyla Dr. Öznur Mete ve Robert Apsimon a, projeye maddi desteklerinden dolayı Kalkınma Bakanlığı ve personeline teşekkür ederiz. DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜRLER