ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DOKTORA TEZİ

Transkript

1 ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DOKTORA TEZİ TÜRK HIZLANDIRICI KOMPLEKSİ PROJESİ KAPSAMINDA SASE VE OSİLATÖR MODDA SERBEST ELEKTRON LAZERİNİN GENEL TASARIMI Şenay YİĞİT FİZİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ANKARA 2007 Her hakkı saklıdır

2 Prof. Dr. Ömer YAVAŞ danışmanlığında, Şenay YİĞİT tarafından hazırlanan Türk Hızlandırıcı Kompleksi Projesi Kapsamında SASE ve Osilatör Modda Serbest Elektron Lazerinin Genel Tasarımı adlı tez çalışması 05/07/2007 tarihinde aşağıdaki jüri tarafından oy birliği ile Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı nda DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir. Başkan: Prof. Dr. Cüneyt CAN ODTÜ, Fen-Edeb. Fak. Fizik Böl. Üye: Prof.Dr. Ömer YAVAŞ Ankara Üniversitesi, Müh. Fak. Fizik Müh. Böl. Üye: Prof. Dr. A. Kenan ÇİFTÇİ Ankara Üniversitesi, Fen Fak. Fizik Böl. Üye: Prof. Dr. Orhan ÇAKIR Ankara Üniversitesi Fen Fak. Fizik Böl. Üye: Prof. Dr. A. Ulvi YILMAZER Ankara Üniversitesi, Müh. Fak. Fizik Müh. Böl. Yukarıdaki sonucu onaylarım. Prof.Dr.Ülkü MEHMETOĞLU Enstitü Müdürü

3 ÖZET Doktora Tezi TÜRK HIZLANDIRICI KOMPLEKSİ PROJESİ KAPSAMINDA SASE VE OSİLATÖR MODDA SERBEST ELEKTRON LAZERİNİN GENEL TASARIMI Şenay YİĞİT Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Ömer YAVAŞ Bu çalışmada, lineer hızlandırıcılara dayalı serbest elektron lazeri (SEL) üretimi için optimizasyon çalışması yapılmıştır. Somut uygulama olarak Türk Hızlandırıcı Merkezinde (THM) yer alması planlanan SEL demetleri için parametre optimizasyonu yapılmış ve uygulama alanları tartışılmıştır. Çalışmanın ilk bölümünde lineer hızlandırıcıların ana donanımları ve bu hızlandırıcılara dayalı serbest elektron lazerinin fiziği, SEL modları ve optimizasyon için gerekli koşullar sunulmuştur. Bu modlarda dünyada çalışan bazı laboratuvarların parametreleri optimizasyon koşulları açısından test edilmiştir. Türk Hızlandırıcı Merkezinde yer alması planlanan SEL demetleri için kendiliğinden genlik artımlı yayınım (SASE) ve Osilatör modda tasarım geliştirilmiştir. SEL üretimi Türk hızlandırıcı Merkezi projesi kapsamında linak-halka tipli elektron-pozitron çarpıştırıcısına dayanan phi (φ ) ve charm (c) fabrikalarının lineer elektron hızlandırıcısına dayandırılmıştır. Bu parçacıkların üretilmesi için gerekli elektron demet enerjileri sırasıyla 130 ve 1000 MeV olarak seçilmiştir. Çarpıştırıcı modunda kullanılan linak parametrelerinin aynı zamanda SEL modunda kullanılabilmesi için gerekli optimizasyon çalışmaları yapılmış ve hızlandırıcı modüller arasına uygun sayıda paketçik sıkıştırıcısının yerleştirilmesi ile SEL üretimi için gerekli elektron demet parametrelerinin elde edilebileceği gösterilmiştir. SASE SEL optimizasyon çalışması CERN CLIC Sürücü Demeti içinde test edilmiş ve elde edilecek SASE SEL in CLIC*LHC dayalı SEL*Çekirdek çarpıştırıcısı için kullanılması öngörülmüştür. 130 MeV için osilatör modda SEL optimizasyonu yapılarak gerekli salındırıcı ve optik kavite parametreleri belirlenmiştir. Tez çalışmasında dünyadaki uygulamalarda dikkate alınarak SASE ve Osilatör SEL için kullanım alanları detaylıca irdelenmiştir. 2007, 125 sayfa Anahtar Kelimeler: THM Projesi, Serbest Elektron Lazeri, Lineer hızlandırıcı, SASE SEL, Osilator SEL i

4 ABSTRACT Ph.D. Thesis GENERAL DESIGN OF FREE ELECTRON LASERS IN SASE AND OSCILLATOR MODES IN FRAME OF TURKISH ACCELERATOR COMPLEX PROJECT Şenay YİĞİT Ankara University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Physics Engineering Supervisor: Prof.Dr. Ömer YAVAŞ In this study, optimization for free electron laser (FEL) production based on linear accelerator has been done. As a practical application for FEL beams which is planned to be placed at The Turkish Accelerator Complex (TAC) parameter optimization has been done and applications areas have been discussed. In the first section of this study, main equipments of linear accelerators and physics of free electron lasers based on this accelerator, FEL modes and the necessary conditions for optimization has been given. The parameters of some laboratories working on this mode in the world have been tested from the optimization condition point of view. Design for FEL beams which is planned to be placed in the center has been developed in the Self Amplified Spontaneous Emission (SASE) and oscillator mode. FEL production is based on the linear electron accelerator of TAC. In principal, TAC contains an electron-positron collider (particle factory). The electron beam energies for the particle factories (phi and charm) have been selected as 130 MeV and 1000 MeV, respectively. Necessary optimization studies have been done in order to be able to use the linac parameters in FEL mode which are actually used in collider mode; and it is shown that the required electron beam parameters for FEL production can be achieved by placing suitable number of bunch compressor among the accelerator modules. SASE FEL optimization study has been tested in the CERN CLIC drive beam and SASE FEL has been forseen to be used for CLIC*LHC based FEL*nucleus collider. Necessary undulator and optical cavity parameters have been determined after optimizing the FEL in oscillator mode for 130 MeV. In this thesis study, the application areas for oscillator FEL and SASE FEL has been examined in detail considering world wide applications of FELs. 2007, 125 pages Key Words : TAC Project, Free Electron Laser, Linac, SASE FEL, Oscillator FEL ii

5 ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR Çalışmalarımı yönlendiren, araştırmalarımın her aşamasında bilgi, öneri ve yardımlarını esirgemeyen danışman hocam sayın Prof. Dr. Ömer YAVAŞ a, bilgisayar deneyimlerinden yararlandığım Sayın Prof. Dr. Orhan ÇAKIR a, TAC proje toplantılarında bilgi ve önerilerinden yararlandığım Sayın Prof. Dr. Saleh SULTANSOY a ve Sayın Prof. Dr. A. Kenan ÇİFTÇİ ye, Osilatör SEL in optimizasyonu konusunda bilgilerini esirgemeyen Sayın Özlem KARSLI ve Sayın Öznür METE ye, çalışmalarım süresince maddi manevi desteklerini esirgemeyen sevgili aileme, TAC projesi kapsamında birlikte çalıştığım arkadaşlarıma ve hocalarıma en derin duygularla teşekkür ederim. Bu tez çalışması, Sinkrotron Işınımı ve Serbest Elektron Lazeri Üretimi ve Kullanımı İçin Genel Tasarım (2003K ) ve Türk Hızlandırıcı Merkezi Teknik Tasarımı ve Test Laboratuvarları (2006K120470) konulu projeler tarafından desteklenmiştir. Şenay YİĞİT Ankara, Temmuz 2007 iii

6 İÇİNDEKİLER ÖZET... i ABSTRACT... ii TEŞEKKÜR... iii SİMGELER DİZİNİ... vi ŞEKİLLER DİZİNİ... vii ÇİZELGELER DİZİNİ... x 1. GİRİŞ KURAMSAL TEMELLLER Işınım Kaynakları Sinkrotron Işınımı ve Serbest Elektron Lazeri Karşılaştırması Serbest Elektron Lazeri ve Fiziği Serbest Elektron Lazeri için Üretim Modları SASE Serbest Elektron Lazeri Osilatör Serbest Elektron Lazeri SASE SEL Üretimi İçin Gerekli Donanımlar Katot ve çeşitleri Termoiyonik katot Fotokatot Alan yayınımlı katot Sürücü lazer RF kavite Lineer hızlandırıcı (Linak) Boyuna paketçik sıkıştırıcı Salındırıcı magnet MATERYAL VE YÖNTEM Materyal Yöntem BULGULAR Giriş TTF SEL (TESLA Test Düzeneği Serbest Elektron Lazeri) Faz I ve II Laboratuvarları ve Optimizasyonu THM SASE SEL Optimizasyonu CLIC SASE SEL Optimizasyonu THM Osilatör SEL Optimizasyonu SEL in Uygulama Alanları SASE SEL in uygulama alanları Atom, molekül ve yığın (cluster) fiziği Plazma fiziği Yoğun madde fiziği Malzeme bilimi Kimya SEL- Çekirdek çarpıştırıcıları Osilatör SEL in uygulama alanları Biyoteknoloji Yarıiletkenler ve kuantum kuyuları iv

7 Fotokimya Nanoteknoloji TARTIŞMA VE SONUÇ KAYNAKLAR EKLER 114 EK 1 Dünyada Mevcut SEL Laboratuvarları 115 EK 2 Proje Aşamasındaki SEL Laboaratuvarları EK 3 Dünyada Mevcut SEL Laboratuvarları için Kaynaklar ve Web Siteleri EK 4 Dünyada Proje Aşamasındaki SEL Laboratuvarları için Kaynaklar ve Web Siteleri EK 5 Perseo FELCAD SASE SEL Simülasyon Programınında 119 Kullanılan Fonksiyonlar ve Giriş Parametreleri... EK 6 SIMPLEX Simülasyon Programınında Kullanılan 123 Fonksiyonlar ve Giriş Parametreleri... ÖZGEÇMİŞ v

8 SİMGELER DİZİNİ Å GeV GW IR PS RF SASE SEL SI TAC TESLA THM TTF-I TTF-II VUV Angstrom Giga Elektron Volt Giga Watt Infrared Paketçik Sıkıştırıcı Radyo Frekans Self Amplified Spontaneous Emission (Kendiliğinden Genlik Artımlı Yayınım) Serbest Elektron Lazeri Sinkrotron Işınımı Turkic Accelerator Complex TeV Energy Superconducting Linear Accelerator Türk Hızlandırıcı Merkezi TESLA Test Facility I TESLA Test Facility II Vacuum Ultra Viyolet vi

9 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil 2.1 λ u =10 cm ve kuvvet parametresi k=4.5 olan bir zigzaglayıcıda yayınlanan e.m. ışınımın karekteristikleri Şekil 2.2 Salındırıcı magnet içinde SEL demetinin elde edilişi...8 Şekil 2.3 Işınım kaynaklarının son yüzyıldaki gelişimi...8 Şekil 2.4 Işınımın parlaklık değerlerinin ışınım nesillerine göre evrimi...9 Şekil 2.5 λ u =5 cm ve kuvvet parametresi K=1.44 olan bir salındırıcıda yayınlanan e.m. ışınımın karekteristikleri Şekil 2.6 Yükselteç SEL in çalışma ilkesi...16 Şekil 2.7 Osilatör SEL in çalışma ilkesi...16 Şekil 2.8 SASE SEL in çalışma ilkesi...17 Şekil 2.9 SASE SEL in gücünün salındırıcı periyot sayısına bağlı değişimi...20 Şekil 2.10 Osilatör SEL in şematik gösterimi...22 Şekil 2.11 Elektron için enine hız bileşeni v 0 ve optik atma için elektrik alan E r olmak üzere, tek parçacık teorisine göre elektron demeti ve optiksel ışınım alanı arasındaki enerji transferini gösteren temel mekanizma...23 Şekil 2.12 Pek çok magnet dalgaboyu üzerinden optiksel atma ile elektron atmasının üst üste gelerek rezonans koşulunu oluşturması...24 Şekil 2.13 Rayleigh uzunluğunun şematik gösterimi...27 Şekil 2.14 Optik kavite sistemi...28 Şekil 2.15 SASE SEL için gerekli ana donanımlar.32 Şekil 2.16 Rölativistik elektron demeti elde etmek için gerekli donanımlar: Sürücü lazer, fotokatot, RF kavite ve lineer hızlandırıcı (Linak)...35 Şekil 2.17 Süperiletken Nb kaviteler Şekil 2.18 Paketçiğin paketçik sıkıştırıcısının mağnetik alanından geçerken uzunluğunda meydana gelen değişim.38 Şekil 2.19 Paketçiğin sıkıştırılmadan önceki ve sonraki görünümü 38 Şekil 2.20 N ve S kutuplarının dizilimden meydana gelen salındırıcı magnet, salındırıcı ışınımının şematik gösterimi ve koordinat sistemi..39 Şekil 4.1 TTF SEL birinci aşamasının (390 MeV) şematik gösterimi 44 Şekil 4.2 TTF SEL ikinci aşamasının (1 GeV) şematik gösterimi.. 44 Şekil 4.3 TTF SEL için geliştirilen ve kurulan salındırıcı magnet.. 45 Şekil 4.4 TTF SEL Faz II için pik gücünün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi Şekil 4.5 TTF SEL Faz II için pik magnetik alnının gap aralığına bağlı değişimi. 49 Şekil 4.6 TTF SEL Faz II için K salındırıcı parametresinin gap aralığına bağlı değişimi. 49 Şekil 4.7 TTF SEL Faz II için SEL parametresinin salındırıcı parametresine bağlı değişimi..50 Şekil 4.8 TTF SEL Faz II için SEL dalgaboyunun salındırıcı parametresine bağlı değişimi..50 Şekil 4.9 TTF SEL Faz II için kazanç uzunluğunun SEL parametresine bağlı değişimi Şekil 4.10 TTF SEL Faz II için pik gücü ve doyum uzunluğunun vii

10 normalize emittansa bağlı değişimi...52 Şekil 4.11 TTF SEL Faz II için pik gücü ve doyum uzunluğunun enerji yayılımına bağlı değişimi 52 Şekil 4.12 RF modüllerin ve paketçik sıkıştırıcı yapının yerleşimi Şekil 4.13 THM 1 GeV için pik magnetik alanın ve kuvvet parametresinin gap aralığına bağlı değişimi...58 Şekil 4.14 THM 1 GeV için SEL parametresi ve kazanç uzunluğunun gap aralığına bağlı değişimi...58 Şekil 4.15 THM 1 GeV için SEL dalgaboyu ve kazanç uzunluğunun gap aralığına bağlı değişimi Şekil 4.16 Enerji yayılımı % 0.1 iken THM 130 MeV için gücün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi 60 Şekil 4.17 Enerji yayılımı % 0.1 iken pik akımı 10 kat artırıldığında THM 130 MeV için gücün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi 60 Şekil 4.18 Enerji yayılımı % 0.1 iken THM 1 GeV için gücün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi Şekil 4.19 Enerji yayılımı % 0.05 iken THM 1 GeV için gücün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi 62 Şekil THM 1420 MeV için gücün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi..63 Şekil 4.21 THM 2100 MeV için gücün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi Şekil 4.22 THM 130 MeV için pik gücü ve doyum uzunluğunun normalize emittansa bağlı değişimi...68 Şekil 4.23 THM 130 MeV için pik gücü ve doyum uzunluğunun enerji yayılımına bağlı değişimi Şekil 4.24 THM 1 GeV için pik gücü ve doyum uzunluğunun normalize emittansa bağlı değişimi Şekil 4.25 THM 1 GeV için pik gücü ve doyum uzunluğunun enerji yayılımına bağlı değişimi Şekil 4.26 THM 130 MeV için logaritmik ölçekte pik foton akısının foton enerjisine bağlı değişimi..71 Şekil 4.27 THM 130 MeV için pik foton akısının foton enerjisine bağlı değişimi Şekil 4.28 THM 1 GeV için logaritmik ölçekte pik foton akısının foton enerjisine bağlı değişimi..72 Şekil 4.29 THM 1 GeV için pik foton akısının foton enerjisine bağlı değişimi.. 72 Şekil nesil sinkrotron ışınımı kaynakları ve SEL lerin pik aydınlığı değerinin foton enerjisine bağlı değişimi.73 Şekil 4.31 CLIC kompleksinin yerleşimi Şekil 4.32 LHC iyon demeti ile sürücü demet arasındaki zaman yapısının ayarlaması Şekil 4.33 Osilatör SEL ile SASE SEL in şematik kıyaslaması.83 Şekil 4.34 THM 130 MeV Osilatör SEL için hesaplanan ışınımın spot genişlikleri...84 Şekil 4.35 DIAMOND laboratuvarının ışınımın spot genişlikleri..84 Şekil 4.36 DIAMOND için 20, 30 ve 40 MeV elektron enerjileri için kullanılan salındırıcı magnet aralığının ve kuvvet parametresinin lazer dalgaboyuna bağımlılığı...87 viii

11 Şekil 4.37 THM 130 MeV Osilatör SEL de magnet aralığı, kuvvet parametresi ve ışınımın dalgaboyu arasındaki ilişki..88 Şekil 4.38 THM 130 MeV Osilatör SEL akısının ve 5. harmoniklerin enerjisine bağlı değişimi Şekil 4.39 ifel in şematik gösterimi..90 Şekil 4.40 X-ışını atması kullanılarak bir molekülün veya yığının kırınım deseninin elde edilmesi.92 Şekil 4.41 Xe atomları ve yığınların ortalama güç yoğunluğu 2*10 13 W/cm 2, dalgaboyu 98 nm olan SEL ışınımı ile ışınlandıktan sonra iyonlaşmış ürünlerinin zaman bağımlı spektrumu, burada N yığındaki ortalama atom sayısıdır.. 93 Şekil 4.42 Odaklanmış X-SEL ışınımının kullanımı ile yığındaki dinamiksel işlemlerin gözlenmesi.. 94 Şekil 4.43 Faz geçişi ve yığın erimesi üzerine yapılan zaman çözümlü deneyin şematik gösterimi..95 Şekil 4.44 Yığın ve yığın iyonlarının elektronik ve geometrik yapıları ve lineer olmayan işlemlerin araştırılması için kullanılan deney kurulumunun şematik gösterimi.95 Şekil 4.45 ps zaman skalasında yapılan pump-probe ölçümleri ix

12 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge nesil SI ile 4.nesil SEL in önemli parametreleri...11 Çizelge 2.2 Ölçeklendirme parametresinin uygun seçilmiş değerleri...19 Çizelge 2.3 Dünyadaki bazı Osilatör SEL lerin ana parametreleri...22 Çizelge 2.4 SEL üretiminde kullanılan parçacık hızlandırıcıları...36 Çizelge 2.5 TTF RF kavite parametreleri 37 Çizelge 2.6 Lineer hızlandırıcılara dayalı serbest elektron lazerleri...37 Çizelge 4.1 TTF SEL birinci ve ikinci aşama SEL parametrelerini doğrulamak için kullanılan literatür parametreleri...46 Çizelge 4.2 TTF SEL birinci ve ikinci aşama için hesaplanan parametreler..47 Çizelge 4.3 THM 130 MeV Çarpıştırıcı ve SEL modu elektron demet parametreleri Çizelge 4.4 THM 1 GeV Çarpıştırıcı ve SEL modu elektron demet parametreleri...55 Çizelge 4.5 THM 1.42 GeV Çarpıştırıcı ve SEL modu elektron demet parametreleri Çizelge 4.6 THM 2.1 GeV Çarpıştırıcı ve SEL modu elektron demet parametreleri...57 Çizelge 4.7 THM 130 MeV için salındırıcı parametreleri..64 Çizelge 4.8 THM 1 GeV için salındırıcı parametreleri...65 Çizelge 4.9 THM 1.42 GeV için salındırıcı parametreleri..65 Çizelge 4.10 THM 2.1 GeV için salındırıcı parametreleri..65 Çizelge 4.11 THM 130 MeV için SASE SEL parametreleri...66 Çizelge 4.12 THM 1 GeV için SEL parametreleri..67 Çizelge 4.13 THM 1.42 GeV için SEL parametreleri.67 Çizelge 4.14 THM 2.1 GeV için SEL parametreleri...68 Çizelge 4.15 Dünyada mevcut SASE SEL Laboratuvarları Çizelge 4.16 Proje aşamasında olan SASE SEL Laboratuvarları...76 Çizelge 4.17 TTF Faz II ve THM SASE SEL için elektron demet parametreleri.77 Çizelge 4.18 TTF Faz II ve THM SASE SEL için salındırıcı parametreleri.78 Çizelge 4.19 TTF Faz II ve THM SASE SEL parametreleri...78 Çizelge 4.20 LHC in iyon programı ve çekirdek uyarılmaları için referanslar 82 Çizelge Pb Çekirdeğinin uyarılmalarının ana karekteristikleri..83 Çizelge 4.22 CLIC sürücü demet parametreleri..84 Çizelge 4.23 CLIC salındırıcı ve SEL parametreleri.. 84 Çizelge 4.24 THM 130 MeV Osilatör SEL elektron demet parametreleri.87 Çizelge 4.25 THM 130 MeV Osilatör SEL optik kavite parametreleri..88 Çizelge 4.26 THM 130 MeV Osilatör SEL salındırıcı magnet parametreleri Çizelge 4.27 THM 130 MeV Osilatör SEL parametreleri Çizelge 4.28 THM Osilatör SEL ve ifel laboratuvarının bazı parametreleri.93 x

13 1. GİRİŞ 21. yüzyılın jenerik teknolojilerinden biri olan hızlandırıcı teknolojileri ve parçacık hızlandırıcıları başta temel parçacık fiziği ve nükleer fizik deneyleri olmak üzere malzeme fiziğinden yüzey fiziğine, x-ışınlarından nötron terapisine, proton terapisinden iyon implantasyonuna, petrol ve gaz yataklarının aranmasından çevre atıklarının etkisiz hale getirilmesine, gıda sterilizasyonundan izotop üretimine, nükleer atıkların temizlenmesinden toryuma dayalı nükleer santrallere, anjiyografiden baca gazlarının temizlenmesine, sinkrotron ışınımından serbest elektron lazerlerine kadar yüzlerce kullanım alanına sahiptir. Parçacık hızlandırıcıları yüklü temel parçacıkların (elektron, proton, pozitron vb.) elektromagnetik alanlarla etkileştirilerek hızlandırılması ve yönlendirilmesi sonucu elde edilirler. Günümüzde dünyada değişik tip ve boyutta civarında parçacık hızlandırıcısı kullanılmaktadır. Bunlardan yaklaşık 200 tanesi parçacık fiziği ve nükleer fizik araştırmalarınınn yapıldığı ve 3. nesil ışınım kaynağı olarak kullanılan büyük ölçekli (>1 GeV) hızlandırıcılardır. Yaklaşık 7000 tanesi medikal, 5000 kadarıda endüstriyel amaçlı kullanılmaktadır. Kalanlar ise küçük ölçekli eğitim, araştırma ve enjektör amaçlı kullanılmaktadır (Amaldi 2000, Sultansoy 2001). Parçacık hızlandırıcılarından değişik türde magnetler aracılığı ile elde edilen ışınımlar tarihsel gelişim içinde 4 nesilde toplanabilir. Yüksek enerji deneyleri için kullanılan sinkrotronlardan istem dışı elde (parazitik moda) edilen 1. nesil ışınımlardan sonra 1970 lerde devreye giren ve sırasıyla 2. ve 3. nesil olarak geliştirilen ve kullanılan ışınım kaynakları sinkrotron halkasında depolanmış nm yayınım (emittans) değerlerine sahip rölativistik elektron demetlerinin eğici (bending), salındırıcı (undulator) ve zigzaglayıcı (wiggler) magnetlerden geçerken ortaya çıkan sinkrotron ışınımıdır. Serbest elektron lazerleri ise RF lineer hızlandırıcılardan elde edilen elektron demetlerinin (ps, nc) özel geliştirilmiş ve optimize edilmiş salındırıcı magnetlerden geçirilmesi yoluyla elde edilen, 2. ve 3. nesil sinkrotron ışınım kaynaklarına göre çok daha koherent ve monokromatik, pik parlaklık değeri açısından kat ve güç değeri 1

14 açısından da en az 10 4 kat daha iyi değerler verebilen 4. nesil ışınım kaynaklarıdır (Saldin et al. 2000). Bu gün dünyada 46 civarında çalışmakta olan, 24 civarında ise geliştirilmekte ve planlanmakta olan serbest elektron lazeri laboratuvarı mevcuttur (EK- 1-2). Bu laboratuvarlardan başlıcaları ifel, FEL-SUT, ETL, IMS, JAERI, ILE/ILT (Japonya), MK-III, OK-4, SCA-FEL, UCSB-FEL, AFEL, RAFEL (A.B.D.), IR-FEL, TTF-FEL, FELICITA, TESLA-FEL, FELBE (Almanya), ENEA, ELETTRA (İtalya), Super-ACO, ELSA (Fransa), BEIJING-FEL (Çin), KAERI-FEL (Kore), TEU-FEL, FOM (Hollanda) TEL AVIV-FEL (İsrail) olarak sayılabilir (Yavaş 2006). Ülkemizde ise 1997 yılında Ankara Üniversitesi Fizik ve Fizik Mühendisliği Bölümlerinden ve Gazi Üniversitesi Fizik Bölümünden 7 araştırmacının hazırlayarak DPT ye sunduğu Parçacık Hızlandırıcıları: Türkiye de Neler Yapılmalı isimli proje kabul edildi ve 1998 yılı başlarında konu ile ilgili araştırmalar başlatıldı (Yavaş vd. 2000). Bu proje sonucunda dünyadaki gelişmelere paralel ve ülkemizin ihtiyacını karşılayacak, kompakt, orta büyüklükte ve çok amaçlı bir Ulusal Hızlandırıcı Laboratuvarı projesinin geliştirilip hayata geçirilmesi gerekir sonucuna ulaşıldı. Bu laboratuvar önerisinde 4 ana kısım yer almaktaydı: a) Lineer elektron demetinin pozitron sinkrotronundan alınacak demetle çarpıştırılarak parçacık fiziği araştırmaları yapmak, b) Lineer elektron demetini uygun salındırıcı magnetten geçirerek Serbest Elektron Lazeri üretmek, c) Pozitron halkası üzerinde uygun magnetler aracılığı ile Sinkrotron Işınımı üretmek, d) Yüksek akılı ve 1-5 GeV enerjiye sahip Proton Sinkrotron kurarak müon ve nötron fiziği çalışmaları yapmak. Buraya kadar yapılan çalışmalar Ulusal Hızlandırıcı Kompleksi yolunda Fizibilite (1. aşama) niteliği taşımaktadır. Bu çalışmanın ardından kurulması planlanan Türk Hızlandırıcı Merkezi (THM), için uygulanabilecek teknolojiler ve tasarımlar konusunda çalışmalar devam etmiştir (Çiftçi vd. 2000, Çiftçi 2001, Yavaş 2001) yılında Türk Hızlandırıcı Kompleksinin Genel Tasarımı ve 2003 yılında Sinkrotron Işınımı ve Serbest Elektron Lazeri Üretimi ve Kullanımı İçin Genel Tasarım konulu projeler ile ilgili çalışmalar başlatıldı yılı sonunda tamamlanan bu iki proje ile THM için içerik tasarımı raporu (Conceptual Design Report, CDR) hazırlandı (Yavaş 2006) yılı başından itibaren onaylanan ve 9 üniversiteden 84 2

15 araştırmacının yer aldığı DPT-YUUP projesi ile yeni bir aşamaya geçildi. Projenin 3. aşaması olarak kabul edilen ve yılları arasını kapsayan YUUP projesinde iki önemli amaç hedeflendi: a) Türk Hızlandırıcı Merkezinin (THM) teknik tasarımını yapmak. b) Test laboratuvarı olarak planlanan osilatör serbest elektron lazeri (IR-SEL) laboratuvarını kurarak (THM IR-SEL) elde edilen lazerlerin Ar-Ge amaçlı olarak kullanımını sağlamak. Bu projeler kapsamında hazırlamış olduğum bu tezin ilk bölümünde ışınım kaynakları, sinkrotron ışınımı ve serbest elektron lazeri arasındaki önemli farklar, SEL fiziği ve modları hakkında bilgiler verilmektedir. Serbest elektron lazerleri elde etme yöntemlerinden SASE ve osilatör olmak üzere iki yöntem üzerinde durulmuştur. Tezin bulgular kısmında ise Türk Hızlandırıcı Merkezi için önerilen hem elektron pozitron çarpıştırıcı modu ve hem de SEL modu için planlanan 130, 1000, 1420 ve 2100 MeV lik dört farklı elektron demet enerjisi için SASE SEL in, ayrıca 130 MeV lik elektron demet enerjisi için osilatör SEL in optimizasyonu yapılmıştır. SEL modu için yüksek pik akım, düşük emittans gerekli olduğu için çarpıştırıcı modu için elde edilen elektron demet parametreleri SEL modu için modifiye edilmiştir. Aynı lineer hızlandırıcının hem SEL modu ve hem de çarpıştırıcı modu için kullanılamayacağı tartışılmıştır. SASE SEL optimizasyonu için bir örnek olarak ve SASE SEL in demet yapısının, koherentliğinin, akısının ve kutuplanabilirliğinin Nükleer Spektroskopide sağlayacağı avantajlar dikkate alınarak CERN CLIC çarpıştırıcısına dayalı elde edilecek SASE SEL in optimizasyonu yapılmış ve LHC iyon demetleri ile çarpıştırılması baz alınarak SEL-Çekirdek çarpıştırıcısında sağlayacağı avantajlar incelenmiştir. İlgili bölümlerde yapılan bu optimizasyonlara dünyadan çalışmakta olan TTF-I, TTF-II, DIAMOND, IFEL gibi laboratuvarlar örnek olarak verilmektedir. Son bölümde ise SEL in SASE ve Osilatör modda ayrı ayrı uygulama alanlarına değinilmektedir. 3

16 2. KURAMSAL TEMELLER 2.1 Işınım Kaynakları Hızlandırıcılara dayalı ışınımların elde edilmesindeki gelişmeler kullanılan parçacık kaynaklarındaki parlaklığındaki ilerlemelerle kuvvetli bir bağlılık içindedir. Elde edilen bu ışınımların özellikleri, bilim insanları, temel olarak fizikçiler tarafından elektromagnetik spektrumun geniş bir bölgesinde ayarlanabilirlik, ileri düzeyde odaklanabilirlik (koherentlik), yüksek şiddet, kutuplanabilirlik ve atmalı zaman yapısı olarak belirlenmiştir. Bu tip ışınımlarla ilk deneyler, VUV (Vacuum Ultra Violet) enerji düzeyinde, atomların spektroskopik incelemeleri için gerçekleştirilmiştir. Günümüzde dünya çapında 40,000 bilim insanı disiplinler arası bir yaklaşımla bu ışınımları kullanmaktadır (Mete 2006). İlk sinkrotron ışınım araştırması sinkrotron ve depolama halkasındaki eğici magnetlerden elde edilen ışınımın kullanılması ile yapılmıştır. Daha sonraki araştırmalar için depolama halkasının düz bölümlerine yerleştirilen magnetler ile elektronlara zigzag hareketi yaptırılarak elde edilen ışınımlar kullanılmıştır. Zigzaglayıcı magnetlerden elde edilen ışınımın akı ve parlaklığı eğici magnetlerden elde edilen ışınımdan daha fazladır. Kullanılan magnetlerin periyot sayısı az, alan şiddeti büyükse elde edilen sinkrotron ışınımı geniş spektrum özelliğine sahiptir. Diğer taraftan kullanılan magnetin periyot sayısı çok alan şiddeti küçükse çıkan ışınım tek bir frekansta ve onun harmoniklerinde elde edilir. Bu durumda magnet salındırıcı magnet olarak adlandırılır. Salındırıcılardan elde edilen ışınımın parlaklığı zigzaglayıcılardan elde edilenden daha fazladır. Küçük örneklerin yüzey ve ara yüzeylerinin yüksek çözünürlük ile incelenmesinde sinkrotron ışınımının yüksek şiddet ve parlaklık özellikleri kullanılmıştır. Geniş bir spektral aralıkta ayarlanabilir dalga boyu özelliğinin olması geleneksel kaynaklar ile mümkün olmayan yeni bilimsel çalışmaların yapılmasına olanak sağlamıştır. Işınımın 4

17 atmalı zaman yapısı ve yüksek şiddet özelliği ile fiziksel ve biyolojik sistemlerde zamana bağlı olayların çalışılması mümkün olmuştur. Sinkrotron ışınım kaynakları jenerasyonlar (nesiller) şeklinde sınıflandırılır. Birinci jenerasyon ışınımlar yüksek enerji fiziğinde kullanılan halka şeklindeki hafif parçacık hızlandırıcılardan elde edilen parazitik ışınmlardır. Bu hızlandırıcılar yüksek enerji fiziği çalışmalarını yapmak üzere planlandığı için bunlardan elde edilen parazitik sinkrotron ışınımları pek çok çalışma için yeterli olmamıştır. İkinci nesil ışınım kaynakları ilk kurulmuş olan sinkrotron ışınım tesisleridir ve ışınım eğici magnetlerden elde edilir. Demet hatları eğici magnetler üzerinde yer alır. Üçüncü nesil ışınım kaynakları düşük emittanslı elektron demeti elde etmek için planlanmış salındırıcı ve zigzaglayıcı magnetlerden meydana gelir. Dördüncü nesil serbest elektron lazerlerinin (SEL lerin) elde edildiği salındırıcı magnetlerden meydana gelir. SEL ler yüksek akı ve parlaklık özelliği ile diğer nesil kaynaklarına karşı üstünlük sağlarlar. Doksanlı yılların başında hızlandırıcı teknolojilerinde süperiletken uygulamaların başlaması, doğrusal veya halka şeklindeki hızlandırıcılarda kullanılan süperiletken hızlandırma kaviteleri ile çok düşük emittanslı, yüksek pik akımına (paketçik uzunluğu ps mertbesinde, paketçik yükü ise nc mertebesindedir) sahip elektron demetlerinin elde edilmesini mümkün kılmıştır. Demet yayınımı ise bu nesilde 20 nmrad değerinin altına çekilebilmiştir. Önceki nesillerle karşılaştırıldığında daha gelişmiş salındırıcı ve zigzaglayıcı magnetlerin kullanılmasıyla elde edilen 4. nesil ışınımlar, nm mertebesinde dalgaboylu, yüksek akı, parlaklık ve güç değerlerine sahip ışınımlardır (Winick 1995, 1998). 2.2 Sinkrotron Işınımı ve Serbest Elektron Lazeri Karşılaştırması Sinkrotron ışınımı (SI) rölativistik hıza sahip yüklü bir parçacığın eğrisel bir yörüngede hareket ederken kaybettiği enerjidir. Özellikle yüksek enerjili elektronlar eğici, zigzaglayıcı veya salındırıcı magnet içerisindeki alandan geçerken diğer ışınım kaynakları ile elde edilemeyecek kadar geniş bir spektrumda şiddetli lazer benzeri ışınım yayarlar. SI elde etmek için yüksek enerjili elektronlara (veya pozitronlara) ve onları eğrisel bir yol izletecek magnetik alana gereksinim vardır. Bunu elde etmenin en 5

18 doğal yolu da depolama halkalarındaki eğici magnetlerdir. Ancak depolama halkasındaki boş bölgelere salındırıcı veya zigzaglayıcı magnetler yerleştirilerek ışıma yapması sağlanabilir. Sinkrotron ışınımı kritik enerji civarında geniş band karakteri gösterir (Şekil 2.1). Şekil 2.1 λ u =10 cm ve kuvvet parametresi k=4.5 olan bir zigzaglayıcıda yayınlanan e.m. ışınımın karekteristikleri a) zamana karşı vektör potansiyeli, b) zamana karşı elektirik alan modülü, c) harmonik sayısına karşı parlaklık 6

19 Bu kritik enerji, ε [ KeV ] 0.665B[ T ] E 2 [ GeV ] (2.1) c = şeklinde ifade edilir. Burada B magnet ekseni boyunca üretilen alanın pik değeri E ise elektronun enerjisidir. Işınımın dalgaboyu, x10 λ[ cm] = (2.2) [ KeV ] ε c ile verilir. Yayılan ışınımın akısı birim zamanda birim katı açı başına ve birim band genişliği başına foton sayısı olarak (F = fotonsayısı / s.mrad. ω B ) ve parlaklık ise birim katı açı başına, birim band genişliği başına ve birim kaynak alanı başına foton sayısı olarak (B = fotonsayısı / Ω.s. ω B ) tanımlanır. Salındırıcı (undulator) veya zigzaglayıcı (wiggler) magnetler için kuvvet parametresi, K ebuλ = u = 0.936Bu[ T ] λu[ cm] (2.3) 2πm c e ile ifade edilir. Burada e elektronun yükü, m e elektronun durgun kütlesi, c ışık hızı ve B u salındırıcı pik magnetik alan değeri ve λ u düzlemsel salındırıcının periyot uzunluğu olarak tanımlanmıştır. Salındırıcı durumunda K~1 dir ve ışımaya asıl katkı 1. harmoniklerden gelir. Zigzaglayıcılar için K 3 tür ve ışıma geniş band karakterlidir. Serbest elektron lazeri ise, rölativistik elektron demetinin kutupları arasına sinüssel bir magnetik alan uygulanan salındırıcı magnetten geçerken kinetik enerjisinin bir kısmını elektromagnetik ışıma yoluyla kaybetmesi sonucu elde edilir (Şekil 2.2). Bu lazerler dalgaboyu ayarlanabilir, monokromatik, yüksek akı ve parlaklık değerlerine sahip 4. nesil ışınım kaynaklarıdır. Bu özellikleri ile SEL ler eğici (bending), zigzaglayıcı (wiggler) ve salındırıcı (undulator) magnetlerin kullanıldığı 2. ve 3. nesil sinkrotron ışınımı kaynaklarına (Şekil ) üstünlük sağlamaktadır. 7

20 Şekil 2.2 Salındırıcı magnet içinde SEL demetinin elde edilişi Üç elektron ve elektromagnetik dalga alanı salındırıcı boyunca üç pozisyonda gösterilmiştir. Elektronlar λ u periyodu ile hareket ederken elektromagnetik dalga λ dalgaboylu foton üretir Şekil 2.3 Işınım kaynaklarının son yüzyıldaki gelişimi 8

21 Şekil 2.4 Işınımın parlaklık değerlerinin ışınım nesillerine göre evrimi SEL de salındırıcı ışıması olarak yörüngenin farklı noktalarında yayılan ışınımlar arasındaki girişim sonucu spektrum, yarı monokromatik piklerin serisini içerir (Şekil 2.5). 9

22 Şekil 2.5 λ u =5 cm ve kuvvet parametresi K=1.44 olan bir salındırıcıda yayınlanan e.m. ışınımın karekteristikleri a) zamana karşı vektör potansiyeli b) zamana karşı elektirik alan modülü c) harmonik sayısına karşı parlaklık Bu pikler, n harmoniklik mertebesi olmak üzere, 10

23 [ GeV ] nE ε n [ KeV ] = (2.4) λ u 2 [ cm]( 1+ K / 2) enerjilerinde ortaya çıkar (Yavaş 2001). 3. nesil SI ile 4. nesil SEL in dalgaboyu, ortlama parlaklık, pik parlaklık, güç vb önemli parametreleri farklılık göstermektedir. SEL ler SI na göre pik değer olarak kat daha parlak ve 10 7 kat daha güçlü ışınım özelliğine sahiptir (Çizelge 2.1). Çizelge nesil SI ile 4.nesil SEL in önemli parametreleri Parametre 3. nesil SI 4. nesil SEL Dalgaboyu, nm Emittans, nmrad Puls uzunluğu, ps / Ortalama parlaklık / Pik parlaklık Pik gücü Serbest Elektron Lazerinin Fiziği Serbest elektron lazeri dalgaboyu ayarlanabilir, monokromatik, yüksek akı ve parlaklık değerlerine sahip 4. nesil ışınım kaynaklarıdır. SEL in koherent özellikleri lazer mekanizmasının temel süreçlerinin farklı olması sebebiyle geleneksel lazerlerden farklıdır. Geleneksel bir lazerde, yükseltilecek elektromagnetik dalga, bir enerji rezervuarı (katı, sıvı veya gaz) boyunca hareket ederek uyarılmış ışınıma neden olmaktadır. Dalga, rezervuarı terk ettiğinde aynı frekansa sahip ancak şiddeti yükseltilmiş olacaktır. Başlangıçta yükseltilmek üzere ortama sağlanacak dalga optik pompalama veya kimyasal süreçlerle sağlanır. Serbest elektron lazerinde ise bu ortam yüksek enerjili elektron demetidir. Bu durumda enerji değişimi, geleneksel lazerlerde olduğu gibi, bağ elektronlarının kuantum geçişleri vasıtasıyla olmamakta, bunun yerine 11

24 magnetik alanda serbest bir şekilde dolaşan demet elektronlarının elektromagnetik etkileşmeleri ile sağlanmaktadır. Paketçikli yapıdaki elektron demeti için lazer bant genişliği anlık ışımadan daha geniş olabilir bu durumda lazer ışımasının koherent uzunluğu anlık ışımadan daha kısa olur. SEL ışımasının koherent özellikleri elektron demetinin özelliklerine bağlıdır. Atomik enerji düzeylerine bağlılığı olmadığı için SEL, geniş bir dalgaboyu aralığında çalışabilir. SEL leri avantajlı kılan önemli bir etken ise ayarlanabilir dalgaboyuna sahip olmalarıdır. Dalgaboyu elektron enerjisi, salındırıcı magnet alanı ya da salındırıcı gap aralığı değişimi ile ayarlanabilir. Pek çok SEL laboratuvarı elektronları hızlandırmak için RF lineer hızlandırıcıları kullanmaktadır. RF linaktaki enerji değişiminde enerjideki ufak bir değişim için bile elektron demet enerjisinin kalitesini korumak için RF alanının fazının ve genliğinin dikkatli bir şekilde ayarlanması gerekmektedir. Ayrıca eğici magnetlerin uyarılması, quadropol lensler, çelik bobinler gibi lazer kaviteye elektron demetinin enjektesinde kullanılan araçlar enerji ile eşzamanlı olarak taranmalıdır. Bu problem, SEL lerde, elektronlar hızlandırma sistemi boyunca ilerlerken artmaktadır (Bakker van de Geer et al. 1993). Bu durumun aksine, salındırıcı magnet aralığının değiştirilmesi metodu ile dalga boyu değişiminin sağlanması, bu tip sınırlamalar gerektirmediğinden daha kullanışlıdır. Hızlandırıcı ve eğici sistemi tarama yapıldığında değiştirilmeden kalabilir, olası bir sınırlama getirildiğinde örneğin salındırıcı magnetin başlangıç alan değerinden büyük bir sapma olduğunda enine elektron demet formatı salındırıcı magnet alanı ile artık uyum göstermeyecektir. Bu durum, tek geçişteki lazer kazancını azaltacaktır. Salındırıcı magnet içindeki manyetik alanının değişiminin elektromagnetleri de içerdiği açıktır. Elektronlar salındırıcı magnet içerisinde hareket ederken periyodik manyetik alandan dolayı enine salınım gösterirler. Salınımlar salındırıcı magnetin periyot uzunluğunun belirlediği frekanslara sahiptir. Periyot sayısı yeterince fazla ise ışımanın yoğunluğu normal sinkrotron ışımasından çok daha fazladır. Bu yüksek yoğunluklu dar bant monokromatik ışımalar, salındırıcı magnetlerin özelliklerinden birisidir. 12

25 Salındırıcı magnet ışımasının kullanıldığı pek çok deney için salındırıcı magnet spektrum çizgisinin genişliği oldukça önemlidir. Bu, temel olarak λ u periyot uzunluğu ve N u salındırıcı magnet periyot sayısı ile belirlenmektedir. Salındırıcı magnetten yayılan ışınımın spektral çizgi keskinliği, salındırıcı magnet periyot sayısı N u arttıkça artmaktadır (Wille 2000). Bir düzlemsel salındırıcıdan elde edilen SEL in dalgaboyu temel harmonik için, λ 2 = u K λ 1 + SEL (2.5) 2 2γ 2 2 şeklinde tanımlanır. Burada λ u düzlemsel salındırıcının periyot uzunluğu, γ = E / mc elektron demetinin Lorentz faktörü, E elektron demet enerjisi ve K salındırıcı kuvvet parametresi olarak tanımlanmıştır (Brown et al. 1983). Farklı spektral bögeler için elde edilen serbest elektron lazer dalgaboyu aralıkları; Uzak infrared bölge (1000 µm-10 µm), Yakın infrared, görünür ve ultraviyole bölge (10 µm-200 nm), Vakum ultraviyole ve daha ileri ultraviyole bölge (200 nm-10 nm), X ışını bölgesi (10nm -0.1nm) dır. Kalıcı magnetik alana sahip samaryum kobalt alaşımından yapılmış salındırıcı magnet için pik magnetik alanı, g g B u ( T ) = 3.33exp (2.6) λu λu olarak ifade edilir. Burada g salındırıcının gap aralığı olmak üzere bu ifade 0.07<g/λ u <0.7 aralığında geçerlidir (Plüger 2000). 13

26 Bir salındırıcıdan SASE modunda elde edilen SEL in akısı, birim zamanda yayınlanan foton sayısı olarak, N& ph = P / hω, ω = 2πc / λsel (2.7) ifade edilir. Burada P SEL in ortalama veya pik gücü ve ω yayınlanan fotonun açısal frekansıdır. SEL in akısı birim bant genişliği başına hesaplanırsa (foton/s/%0.1bg), I 2 [ ]) I[ A] F [ K] f ( nν ) 14 2 = N ( E GeV (2.8) n n F [ K] 2 n = ξn J n 1 nξ ) J n+ 1 ( nξ ), ( ) ( ) 2 2 ( 2 ξ = K + K 2 sinν / 2 2 nω1 ω f ( ν ) = ( ), ν n = 2πN u, n = 1,3,5... ν / 2 nω 1 ile tanımlanır (Ciocci et al. 2000). Burada J n n. dereceden silindirik Bessel fonksiyonu, N u salındırıcının kutup sayısı, n salınım harmoniklerinin mertebesi, E elektron demet enerjisi, I demet akımı, ω = E / h ilk harmonik ışımanın frekansıdır. 1 SEL SEL in spektral parlaklığı (Brightness) foton/s/%0.1bg/m.rad 2 biriminde n. harmoniğin merkez konisinin sahip olduğu rms açısal demet genişliğine bağlı olarak, F n 2 2πσ r ' B =, (2.9) ve σ x, σ y elektron demet diverjansları da hesaba katılarak B = F n π σ r + σ x σ r + σ y, (2.10) 14

27 σ = λsel 2L σ = ε / β σ = ε / β r, x x x, y y y şeklinde ifade edilir. SEL in Aydınlığı (Brilliance), F n A =, (2.11) ( 2π ) 2 ε xε y İle verilir. Burada, L salındırıcı uzunluğu, ε x ve ε y x ve y yönündeki enine emittans, β x ve β y x ve y yönündeki beta fonksiyonudur ve ve x = σ r + σ x σ r + σ x ε, ε = σ 2 + σ 2 σ 2 σ 2, σ x = ε xβ x, y y y Şeklinde tanımlanır. y r y r + y 1 σ = ε β, σ r = 2λ SEL L 4π Pik aydınlığı, Ap ( Fn / f ).2.35x A = 2 ( 2π ) ε ε.2π ( E / E) τ 2π τ. f = (2.12) x y şeklinde ifade edilir. Burada τ paketçik uzunluğu (1σ), (2.35) 2 /2π normalize Gaussiyen için dönüşüm faktörü ve f mikro paketçiklerin tekrarlama frekansıdır. 2.4 Serbest Elektron Lazeri İçin Üretim Modları SEL ler işletim sistemine bağlı olarak Yükselteç (Şekil 2.6), Osilatör (Şekil 2.7) ve Kendiliğinden Genlik Artımlı Yayınım (SASE) modlarında üretilmektedir (Şekil 2.8). 15

28 Yükselteç modu: mevcut bir lazer ışınımının, elektron demetinin salındırıcıdan geçirilmesi yolu ile elde edilen ışınım ile güçlendirilmesi prensibine dayanır. Osilatör modu: Elektron demetinin salındırıcıdan geçirilmesi yolu ile elde edilen ışınımın, salındırıcının giriş ve çıkışına yerleştirilen aynalar ile güçlendirilmesi prensibine dayanır. SASE modu: Rölativistik bir elektron demetinin, kutupları arasına sinüsel bir manyetik alan uygulanan uzun salındırıcı magnetten geçirilmesi prensibine dayanır. SASE SEL in spektrum aralığı kırmızı altından (IR) sert X-ışını bölgesine kadar uzanır. Dünyada çalışan SEL lerin çoğu optik rezonatör fazlı düzeneklerdir. Fakat optik kavite teknolojisi ile ilgili (aynalar v.b) zorluklar nedeniyle VUV (180 nm) spektral bölgesinin altında dalgaboyuna ulaşmak mümkün değildir (Ciocci et al. 2000) Şekil 2.6 Yükselteç SEL in çalışma ilkesi Şekil 2.7 Osilatör SEL in çalışma ilkesi 16

29 Şekil 2.8 SASE SEL in çalışma ilkesi 2.5 SASE Serbest Elektron Lazeri Işınım gücünün e-kata ulaşma kazanç uzunluğu bir boyutlu (1-D) modelde (Bonifacio et al. 1984), λu L G,1D = (2.13) 4π 3ρ olarak tanımlanır. Burada ρ SEL parametresidir ve k ρ = 2 2 u 32πγ 3 2 r n λ JJ e b ( K) 1/ 3 (2.14) şeklinde verilir. Burada, r e klasik elektron yarıçapı, γ Lorentz faktörü, JJ 0. ve 1. dereceden bessel fonksiyonlar olmak üzere, 17

30 2 2 K K JJ = J 0 J 1 (2.15) K 4 + 2K pratik birimlerde kuvvet parametresi 0.934λ [ cm] B [ T ] K u 0 = ve n b elektron yoğunluğu n b = n 3 (2.16) 2π σ σ 2 x z ile ifade edilir, burada n paketçikteki elektron sayısı, σ x enine demet boyutu ve σ z boyuna paketçik uzunluğudur. 3-D modelde L G kazanç uzunluğu evrensel ölçeklendirme fonksiyonuna bağlı olarak ifade edilir (Xie 1995, Yoon et al. 2004), L G,1D L G = F( η d, η ε, η γ ) (2.17) ölçeklendirme parametreleri, LG, 1 D η d =, L R L G,1D 4πε n η ε = β γλ SEL, LG, = 4 π λu 1D η γ σ e Ee burada β beta fonksiyonu, ε n =γε x,y normalize emittans, σ e rms enerji yayılımı, L R Raleigh uzunluğu, LR 2 = 4πσ x / λsel (2.18) İle verilir. 1-D ve 3-D kazanç uzunluklarının oranı ölçeklendirme fonksiyonuna bağlıdır (Xie 2000). 18

31 LG,1D LG 1 = 1 +η (2.19) = a1 a2 a4 a6 a8 a9 a11 a12 a14 a15 a17 a18 d + a3η ε + a5ηγ + a7ηε ηγ + a10η d ηγ + a13η d ηε a16η d ηε η η + η a19 γ Ölçeklendirme fonksiyonunun maksimum olduğu durum LG, 1D / LG = F(0,0,0) = 1 1-D modelde en kısa kazanç uzunluğuna karşı gelir. Ölçeklendirme parametreleri η d, η ε ve η γ demetin ideal durumdan sapmasının bir ölçüsüdür. η d difraksiyon ve uzaysal üç boyutlu etkiler ile ilgili kazanç azalımını, η ε emittansın neden olduğu elektronun boyuna hız yayılımı ile ilgili kazanç azalımını ve η γ ise enerji yayılımının neden olduğu elektronun boyuna hız yayılımı ile ilgili kazanç azalımını gösterir. Ölçeklendirme parametresinin uygun seçilmiş değerleri (a 1, a 2,.a 19 ) Çizelge 2.2 de verilmiştir. Çizelge 2.2 Ölçeklendirme parametresinin uygun seçilmiş değerleri a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 a 6 a 7 a 8 a 9 a a 11 a 12 a 13 a 14 a 15 a 16 a 17 a 18 a SASE X-SEL için SEL parametresinin tipik değerleri 10-3 ve 10-4 arasındadır. Doyumda salındırıcı için kutup sayısı N 1/ ρ yani kutup değerinde ve doyum monokromatik elektron demetinin enerji yayılımı ρ derecesindedir (Şekil 2.9). SEL doyum (pik) gücü ρ SEL parametresine bağlı olarak, P doyum 2 LG,1D 1.6ρ Pdemet L (2.20) G 19

32 şeklinde ifade edilir. P demet, elektron demetinin gücü P = ve L G üç boyutlu demet I p Ee (3-D) kazanç uzunluğudur. E e elektron demet enerjisi, pik akımı bir paketçikteki toplam yük, c ışık hızıdır (Polumbo 2002). I p = cq / 2π σ, Q z Şekil 2.9 SASE SEL in gücünün salındırıcı periyot sayısına bağlı değişimi Maksimum çıkış gücüne ulaşmak için gerekli salındırıcı uzunluğu, Ldoyum LG ln ( P / α P ) = (2.21) doyum c gürültü burada giriş gürültü gücü P 2 gürültü ce e = ρ / λ, çiftlenim faktörü α c =1/9 dur. L G, SEL L doyum ve P doyum SASE için en önemli parametrelerdir. SASE SEL in kararlılığı için, salındırıcı uzunluğunun kazanç uzunluğundan büyük olması ve aşağıda verilen limit değerlerinin sağlanması gerekir (Pellegrini et al. 1994, Pellegrini 2001). a) Enine demet emittansı en fazla dalgaboyu mertebesinde olmalıdır, 20

33 λsel ε t < 4π (2.22) b) Demet enerji yayılımı serbest elektron lazeri parametresinden küçük olmalıdır, σ E < ρ (2.23) c) Kazanç uzunluğu Raleigh ışınım uzunluğundan kısa olmalıdır, L G < L R (2.24) Kararsızlık koşulu olarak, a) koşulu elektron demetinin yayınımın enine faz uzay karakteristikleri ile uyumlu olması gerektiğini, b) koşulu demet enerji yayınımının bir üst sınırı olduğunu, c) koşulu kırınım ile kaybedilenin yanında demet tarafından üretilen çok fazla ışınım gerektiğini anlatır. 2.6 Osilatör Serbest Elektron Lazeri Bir osilatör SEL in ana bileşenleri magnetik salındırıcı, elektron demeti ve aynalardan oluşur (Şekil 2.10). Elektron demeti (lineer hızlandırıcıdan veya depolama halkasından elde edilebilir) salındırıcı magnetten geçirilirken salındırıcı ekseni boyunca dar bir koni içinde odaklanmış anlık salındırıcı ışıması yapar. Yayınlanan ışınım iki ayna arasında tuzaklananarak salındırıcıya giren bir sonraki elektron paketçikleri ile etkileşir. Işınım alanı ve bir sonraki paketçikler arasındaki etkileşim ışınım alanının derecesine bağlı olarak koherent elektron paketçiklerinin oluşumuna öncülük eder. Bu koherent paketçiğin ışınım alanı ile etkileşmesi sonucunda da koherent yayınım oluşur. Osilatör modda çalışan SEL laboratuvarları ve bazı önemli parametreleri Çizelge 2.3 de verilmiştir. 21

34 Şekil 2.10 Osilatör SEL in şematik gösterimi Çizelge 2.3 Dünyadaki bazı Osilatör SEL lerin ana parametreleri Parametre Duke a Elettra a Clio b Felix c Jefferson Lab d Elektron demetinin enerjisi [MeV] Elektron demetinin ortalama akımı [ma] Elektron demetinin paketçik uzunluğu [ps] < Elektron demetinin / tekrarlama frekensı [MHz] SEL in dalgaboyu [µm] SEL in ortalama gücü [W] a Depolama halkası. b 25 Hz determoiyonik tabancadan elde edilen 10 µs lik elektron atması. C 10 Hz determoiyonik tabancadan elde edilen 10 µs lik elektron atması. d Enerji geri beslemeli lineer hızlandırıcı (ERL). 22

35 SEL için temel kazanç mekanizması elektron demeti ve ışınım alanı arasında oluşan enerji değişimine dayanır. Bu enerji değişimi sonucunda ya elektron demeti yavaşlatılarak ışınım alanının yükseltilmesi sağlanır (pozitif kazanç) ya da tersi durumun gerçekleşmesi mümkündür yani elektron demeti kinetik enerji kazanarak ışınım alan şiddetinin azaltılması sağlanır (negatif kazanç). Hangisi olursa olsun, pozitif veya negatif kazanç elektron demeti ve ışınım alanı arasındaki göreli faza bağlıdır. Şekil 2.11 de gösterildiği gibi elektron demetinin maksimum enine hızı ışınım elektrik alanı ile çiftlenim oluşturduğu zaman enerji değişimi oluşmaktadır. Bu olayda enerji elektron demetinden ışınım alanına aktarılmaktadır. Elektron ve ışınım alanı için farklı hız bileşenlerine bağlı olarak, elektron dereceli olarak her magnet periyodu boyunca ışınım alanını arakasından gelir. Şekil 2.11 Elektron için enine hız bileşeni v 0 ve optik puls için elektrik alan E r olmak üzere, tek parçacık teorisine göre elektron demeti ve optiksel ışınım alanı arasındaki enerji transferini gösteren temel mekanizma Pek çok dalgaboyu üzerinden ışınımın elektrik alanına göre elektronların enine hızının sürdürülmesi için elektron hızı, elektron bir magnetik dalgaboyunu karşıdan karşıya (enine) geçmesi için gerçekten bir elektron başına gececek bir ışık dalgaboyuna sahip olmalıdır. Bu durum rezonans koşulu olarak ifade edilir (Şekil 2.12). 23

36 Şekil 2.12 Pek çok magnet dalgaboyu üzerinden optiksel puls ile elektron pulsunun (atmasının) üst üste gelerek rezonans koşulunu oluşturması Salındırıcı ışınımı optik rezanatörde tuzaklanırsa, her ardışık gidiş geliş turunda her geçiş üzerinden koherent ışınım paketçiği oluşur, rezanatör aynalar pek çok geçiş üzerinden büyüyen optiksel gücün tuzaklanmasında serbesttir. Saf permanent (kalıcı) magnet için pik magnetik alanı, B sin Br ( Eπ M ) ( π M ) 2πh πg e λ e λ = 2 1 u u 0 (2.25) şeklinde ifade edilir. Burada B r artık (remnant) magnetik alan, E paketçik faktörü, M periyot başına magnetik blok sayısı, h magnetik blok yüksekliği, λ u salındırıcı periyodu ve g salındırıcı aralığıdır. Salındırıcı başına blok sayısı genellikle 4 alınır. Paketçik faktörü genelde 0.9<E 1 aralığındadır. Artık magnetik alan B r magnet bloklarının yapıldığı maddeye bağlıdır. Örneğin, SmCo 5 için B r =0.97 T Sm 2 Co 17 için 1.05 T ve NdFeB için 1.3 T dır. Magnetik alan şiddeti K değeri veya yansıma parametresi ile doğru orantılı olarak ifade edilir. K kuvvet parametresi pratik birimlerde aşağıdaki gibi ifade edilir. eb K = 0 = 0.934B0[ Tesla] λ [ cm ] k mc u (2.26) u 24

37 Minumum elde edilebilir salındırıcı aralığı (gap) gaussiyen demet nokta (spot) büyüklüğü ω ile ayarlanır. Salındırıcı aralığı g > πω (2.27) kriterini sağlamalıdır. Optik kavitenin planlanmasında; kavite uzunluğu, 1. Gausiyen spot büyüklüğünü ve özellikle uzun dalgaboylarında kavite aynalarındaki kırınım kayıplarını minimize etmek için kısa tutulmalıdır. 2. SEL kazancının maksimum olması için, Lu/ZR 2-5 arasında olacak şekilde alınmalıdır (Colson et al. 1982, Colson 1976, 1998). Enerji yayılımına bağlı olarak net SEL kazancı (Chesworth 2000), g g G = (2.28) [ 1+ ( g ) µ ] 0 e burada µ e normalize elektron demet enerji yayılımı, g 0 enerji yayılımını ve kayma uzunluğunu (slipage) içermeyen SEL kazancıdır. Normalize elektron demet enerji yayılımı, ( δe ) µ e = 4N (2.29) E SEL kazancı g 0 (Bizzarri 1987, Dattoli et al. 1985,1989), 25

38 26 ξ λ γ π N I I L g o u r Σ = (2.30) burada λ r SEL dalgaboyu, Σ o optiksel demetin tesir kesitidir = Σ y x σ ω σ ω π (2.31) ω 0 waist (bel) boyutu : ( ) ( ) = g g g g g g g g L r c πλ ω (2.32) g1 ve g2 rezanatör g parametreleri R L g c =, R L g c = (2.33) R1, R2 optik kavitenin eğrilik yarıçapları L c kavite uzunluğudur. Aynaların her biri üzerindeki spot genişlikleri, ( ) r c 1 g g 1 g g L π λ = ω, (2.34) ( ) r c 2 g g 1 g g L π λ = ω (2.35) ve kavite Rayleigh uzunluğu, demetin ilerleme yönündeki demet yarıçapının, merkezi bel kalınlığından (w 0 ) 2 katı kadar arttığı uzunluktur (Şekil 2.13),

39 Z 2 R g1g 2 ( 1 g1g 2 ) ( g + g 2g g ) c = L (2.36) ile hesaplanır. Şekil 2.13 Rayleigh uzunluğunun şematik gösterimi Uygun salındırıcı magnet parametresi ve demet enerjisi seçenekleri ile λ<100 nm kısa dalga boyları için koherent şartını sağlamak mümkündür. λ 100 nm civarındaki dalga boylarında ayna yansımalarında keskin bir düşüş olmaktadır. Bu dalgaboyu bölgesi salındırıcı magnet boyunca olan geçiş başına G<1 kazancı gerektirdiğinden düşük kazançlı SEL ler artık güvenli bir şekilde kullanılamaz. Ayrıca düşük kazançlı SEL ler çok uzun salındırıcı magnetlerin kullanımını (l>10m) ve demet kalitesinde oldukça zor önlemler alınmasını gerektirmektedir. Kazanç, faz hacmi içerisindeki elektronların sayısı başka bir deyişle paketçikteki parçacık yoğunluğu ile artar. Bunun anlamı çok düşük demet yayınımı ve çok kısa paketçiklere gerek duyulması demektir (Turner 1990). Bir SEL tasarımı için salındırıcı magnetin minimum gap uzaklığı ile onun periyodu ve istenilen maksimum dalga boyu araştırılmalıdır. Kazanç yeterince yüksekse daha büyük bir merkezi demet spot büyüklüğü seçilebilir. 27

40 Aynalar üzerindeki spot genişliğini minimize etmek için en kısa olası optik kavite yapılmalıdır. Bu aynı zamanda atmalı yapıya sahip hızlandırıcılarda lazer gücünün artış zamanını kısaltması açısından avantaj olmasına rağmen aynalardaki lazer gücünün artışının ayna deformasyonu oluşturması, ışımayı uyaran araçlar arasındaki mesafenin kısalması ve foton demetinin özellikleri açısından dezavantajdır. Neredeyse bütün SEL osilatorlerde ayna deformasyonu gözlemlenir. Bu durum birçok farklı nedenden kaynaklanabilir (Turner 1990). Tek geçişteki SEL kazancını yükseltmek için optik kavite sistemine ihtiyaç vardır. Optik rezanatör iki ayna sayesinde salındırıcıdan elde edilen ışınımın yükseltilmesini ve SEL oluşumunu sağlar. Kullanılan ayna yarıçapları (R 1 ve R 2 ) eşit olabileceği gibi farklı da olabilir (Şekil 2.14). Şekil 2.14 Optik kavite sistemi Lineer hızlandırıcılardaki iyonize ışıma deformasyonu, enjeksiyon noktasına yakın yerleştirilen çok tabakalı aynalarda gözlemlenmiştir. Bu tür deformasyonlar yüksek enerji ve yüksek ortalama akımın meydana getirdiği çok yogun salındırıcı magnet ışımalarında iki şekilde meydana gelmektedir: (i) ışımanın yüzeyde indüklenmesiyle ayna tabakalarında mevcut olan kusurların ışımayı soğurması sonucu oluşan deformasyonlar. (ii) yayılan ışıma gücünün ayna katmanlarını ısıtması nedeniyle meydana gelen deformasyonlar. 28

41 Metal aynalar üzerinde oluşan deformasyonlar ise yüksek SEL gücünden kaynaklanmaktadır. Çok katmanlı aynalarda deformasyon çok hızlı bir şekilde ve optik kavitede depolanan yüksek ortalama gücün soğurulması ile meydana gelmektedir. Aynı zamanda yüksek ışınım gücü bazı tabakalar üzerinde soğurma kusurları oluşturabilmektedir. Son zamanlarda ayna deformasyonlarının üstesinden gelinebilmiştir. Çok katmanlı aynalarda aynaların üretiminde iyon katkılama teknolojisi kullanılmaktadır. Bu teknoloji şu an endüstriyel ayna üreticilerinde yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Ayrıca bu katmanlar ısısal hasardan kaçınmak için safir üzerine katkılanabilmektedir. Metal aynalarda daha dirençli bir yüzey tabakası ve alt tabaka seçilmeli ve kullanılmalıdır. En iyi çözümün (IR bölgede) saf bakır, gümüş ya da altının bakır ya da molibdenyum üzerine katkılanması olduğu gözükmektedir. Koruyucu (izolasyonlu) tabakalardan kaçınılması gerekmektedir. Basit, etkili fakat çok pahalı bir çözüm ise optik kaviteyi uzatarak aynalar üzerindeki gücü azaltmaktır. Ayna malzemesi çalışılacak dalgaboyu bölgesine göre seçilmektedir. Örneğin yakın UV, görünür bölge ve yakın IR bölgede çalışma yapılcaksa SiO 2, IR bölgede Al 2 O 3 (5 µm), CaF 2 (8-10 mm), ZnSe (20 µm) ve Ge (23 µm) gibi malzemelerden yapılmış aynalar 180 nm nin altında ise sadece LiF veya MgF 2 kullanılır. P e elektron demetinin gücü olmak üzere SEL çıkış gücü; P out 2.6 = 4 π N P e 1 5N P e (2.37) Osilatör SEL in doyum parlaklığı; B 4 [ ] σ z [ mm] N λ [ cm][ kf ( k) ] 2 E GeV 42 d 3.977x10 (2.38) u 29

42 ile verilir. Burada σ z paketçik uzunluğu, 0. ve 1. Bessel fonksiyonlara bağlı olmak üzere f ( k) = J o ( k) J1( k) dır (Ciocci et al. 2000). Osilatör SEL in pik parlaklığı; B pik 3 [ A] E[ GeV ] N λ [ cm] L [ cm] [ mm] 37 I σ z 6.4x k u c / 2 (2.39) ile verilir. Burada L c kavite uzunluğudur (Ciocci et al. 2000). SEL in doyum güç yoğunluğu; W I s cm [ ] E GeV N [ λ [ cm] kf ( k) ] 2 u (2.40) ile verilir (Ciocci et al. 2000). Serbest elektron lazer prensibi salındırıcı magnet boyunca yayılan fotonların optik kavitede tuzaklanarak yeni gelen elektronlarla etkileşime girmek suretiyle elektronların ani ışıma yapmaya zorlanarak ışıma elde edilmesidir. Kazanç kavite kayıplarından yüksekse ışıma doyuma ulaştığında oldukça yüksek koherent ışınım elde edilmiş olur. Küçük sinyal SEL kazanç parametresi pratik birimlerde (Ciocci et al. 2000); g 16π J A/ m = (2.41) 2 0 γ λr u ) I a [ ] [ ] [ ] 2 2 m L m N ξf( ξ 2 1 K ξ = ve F( ξ ) = J ( ) ( ) 2 o ξ J1 ξ 4 (1 + K / 2) 2 I [ ] [ A] A/ m = J (2.42) λr Lc π 2 16π 30

43 ile verilir. Burada J 0 ve J 1 0. ve 1. mertebe Bessel fonksiyonları, J akım yoğunluğu, I a Alfken akımıdır. Yukarıdaki eşitlikte kısa dalga boyları yani yüksek enerji değerleri için kazancın azaldığı açıkça görülmektedir. Kazanç gerçekten, kısa dalgaboylarına ulaşmak için gerekli yüksek elekton demet enerjilerinde azalmaktadır. g 0 değerine bağlı olarak SEL kazanç bölgesi aşağıdaki şekilde ayrılır (Ciocci et al. 2000): a) Düşük kazanç bölgesi (g 0 0.3) b) Orta kazanç bölgesi (0.3<g 0 10) c) Yüksek kazanç bölgesi (g 0 10) 2.7 SASE SEL Üretimi İçin Gerekli Donanımlar SASE SEL üretimi için foto-katot, sürücü lazer, RF tabanca, lineer hızlandırıcı, paketçik sıkıştırıcı, salındırıcı magnet gibi donanımlara ihtiyaç vardır (Şekil 2.15). Bu donanımların ayrıntısı aşağıda verilmiştir. SEL üretimi sırasında kullanılmış elektron demeti eğici magnet ile SEL düzleminden ayrılarak demet durdurucu ile durdurulur ve üretilen SEL deney istasyonlarına yönlendirilir. Şekil 2.15 SASE SEL için gerekli ana donanımlar 31

44 2.7.1 Katot ve çeşitleri Elektron yayınımı için kullanılan düşük iş fonksiyonuna sahip metallerdir. İdeal bir katotta aşağıdaki özellikler aranır: Uzun yaşam ömrü Hızlı açılır kapanırlık Dayanıklılık Yüksek yük yoğunluğu Düşük emittans İşletim kolaylığı Katotlar yayınım mekanizmasına bağlı olarak termoiyonik katot, fotokatot ve alan yayınımlı katot olmak üzere üç grupta toplanırlar ( Termoiyonik katot Termoiyonik katotun yayınım mekanizması: Düşük iş fonksiyonuna (~ev) sahip metaldan yapılmış katot yüzeyinden ısıtma ile elektron sökülmesine dayanır. Termoiyonik katot malzemesi olarak CeB 6 kullanılır. Avantajları: Uzun yaşam ömrü Dayanıklık Kullanım kolaylığı Dezavantajları: Yavaş açılır kapanır olması Yüksek sıcaklık gerektirmesi (1450 C) 32

45 Fotokatot Fotokatotun yayınım mekanizması: Lazer atması ile katot yüzeyinden elektron sökülmesine dayanır. Fotokatot malzemesi olarak Cu, Mg, CsTe 2 (sezyum tellürit) kullanılır. Avantajları: Hızlı açılır kapanır olması Yüksek yük yoğunluğu Dezavantajları: Düşük yaşam ömrü Dışardan sürücü bir lazer gerektirmesi Alan yayınımlı katot Alan yayınımlı katotun yayınım mekanizması: Elektrik alan pulsları ile katot yüzeyinden elektron sökülmesine dayanır. Avantajları: Çok basit olması Yüksek yük yoğunluğu Hızlı açılır kapanır olması Dezavantajları: Girişlerde sorun oluşması Çabuk hasar görmesi 33

46 2.7.2 Sürücü lazer Sürücü lazer fotokatottan elektron sökmek için kullanılır (Şekil 2.15). Örnek olarak TTF SEL de kullanılan sürücü lazer ve ana parametreleri aşağıda verilmiştir (Aberg et al. 1995). TTF SEL in sürücü lazer parametreleri: Nd:YLF lazer Atma süresi : 8ps Frekans : 217 veya 108 MHz Enerji : 0.5 mj Dalgaboyu : 1047 nm RF kavite RF kavite Serbest Elektron Lazeri (SEL), Sinkrotron Işınımı (SI) ve X-ışını kaynakları için önemli bir bileşendir. 1, 1+1/2, 2 vb hücreli olarak tasarlanmaktadır. Şekil 2.16 da 1+1/2 hücreli RF kavitenin şematik şekli elektron demeti üretimi için gerekli diğer donanımlar ile birlikte verilmektedir. Örnek olarak TTF SEL in 1+1/2 hücreli kavitesinin temel parametreleri aşağıda verilmiştir. TTF SEL in 1+1/2 hücreli kavitesinin temel parametreleri: Giriş Gücü : 4.5 MV V max = 50 MV/m Q değeri: E max = 5.68 MeV 34

47 RF Klystron Ana Osiloskop Sürücü lazer Fotokatot RF kavite Linak 0 1" 2" 3" Scale Şekil 2.16 Relativistik elektron demeti elde etmek için gerekli donanımlar: Sürücü lazer, fotokatot, RF kavite ve lineer hızlandırıcı (Linak) Lineer hızlandırıcı (Linak) Hızlandırmanın doğrusal bir yol boyunca sıralanmış bir veya birden fazla RF rezonans boşluğu (kavite) ile gerçekleştirildiği hızlandırıcıdır. Lineer hızlandırıcıların avantajları pahalı magnetlerin kullanılmaması ve sinkrotron ışınımından kaynaklanan enerji kaybının olmamasıdır. Parçacıkların enjekte edilmesi ve çıkarılması yötemleri daha basite indirgenmiştir. Büyük enerji kazançları için bir çok hızlandırıcı hücreden oluşan uzun hızlandırıcılar kullanılır. VUV ve X-ışını dalgaboyunda SEL elde etmek için lineer hızlandırıcılarda süper iletken RF kaviteler kullanılmaktadır (Şekil 2.17). Çok yaygın olarak SEL üretiminde kullanılan parçacık hızlandırılarının enerji aralıkları, bazı özellikleri ve elde edilecek SEL dalgaboyu Çizelge 2.4 de verilmiştir (Pellegrini and Reiche 2002). TTF lineer hızlandırıcısında kullanılan süper iletken RF kavitelerin parametreleri Çizelge 2.5 de örnek olarak verilmiştir. 35

48 Şekil 2.17 Süperiletken Nb kaviteler Çizelge 2.4 SEL üretiminde kullanılan parçacık hızlandırıcıları Enerji Pik akımı Puls uzunluğu SEL dalgaboyu Elektrostatik 1-10 MeV 1 5 A 1 20 µs mm-0.1mm hızlandırıcı İndiksiyon lineer 1 50 MeV 1 10 ka ns cm-µm hızlandırıcısı Depolama halkası GeV A 30 ps 1 ns 1 µm-nm RF lineer hızlandırıcı GeV A ps 100 µm-0.1 nm Çizelge 2.5 TTF RF kavite parametreleri Frekans 1.3 GHz Kavitedeki hücre sayısı 9 Kavite uzunluğu m Iris çapı 35 mm R/Q 1011 ohm/kavite RF gücü 206kW/m 36

49 Lineer hızlandırıcılara dayalı olarak SEL üretimi yapan örnek laboratuvarlar ve önemli SEL parametreleri Çizelge 2.6 da verilmiştir. Çizelge 2.6 Lineer hızlandırıcılara dayalı serbest elektron lazerleri Parametre UCLA VISA LEUTL TTF FEL I Elektron demetinin enerjisi / [MeV] Elektron demetinin enerji / yayılımı [%] Elektron demetinin normalize emittansı [mm mrad] /7.1 6 Elektron demetinin pik / akımı [A] SEL dalgaboyu [nm] / SEL pik gücü [MW] SEL atma uzunluğu [ps, / rms] Salındırıcı kazanç uzunluğu [cm] / Boyuna paketçik sıkıştırıcı Elektron demetindeki paketçiklerin uzaysal dağılımını istenilen boyutlara indirgemek için magnetik alanların kullanıldığı düzeneklerdir (Şekil 2.18). Paketciğin arka kısmındaki parçacıklara ön kısımdakilerden daha fazla momentum kazandırılarak önde gitmesi sağlanır. 37

50 TTF SEL de üç adet paketçik sıkıştırıcısı (PS) kullanılmıştır. Bu düzenek vasıtasıyla demetin paketçik uzunluğu 2 mm den 50 µm ye düşürülmüştür. Paketçiğin yapısındaki değişim Şekil 2.19 da verilmiştir. Şekil 2.18 Paketçiğin paketçik sıkıştırıcısının mağnetik alanından geçerken uzunluğunda meydana gelen değişim Sıkıştırmadan önce Sıkıştırmadan sonra Şekil 2.19 Paketçiğin sıkıştırılmadan önceki ve sonraki görünümü Salındırıcı magnet Salındırıcılar elektronlar tarafından üretilen düzgün enine titreşimleri yörüngenin her noktasında yayınlanan ışınım konisi içinde tutar. Salındırıcı spektrumu merkez etrafındaki monokromatik piklerin bir serisinden meydana gelir. Salındırıcı magnetlerde elektronlar enine geniş titreşimler meydana getirmezler. 38

51 Salındırıcı SEL in en önemli bileşenlerindendir (Şekil 2.20). İki önemli fonksiyona sahiptir: 1) SEL in üretimi için gerekli sinüsel magnetik alanı sağlar. 2) Tüm salındırıcı uzunluğu boyunca demet boyutunu küçük tutmak için, salındırıcı, üst üste bindirilmiş quadrapol örgünün sağladığı alternatif alan gradiyentini sağlamalıdır (Rossbach 1996). Şekil 2.20 N ve S kutuplarının dizilimden meydana gelen salındırıcı magnet, salındırıcı ışınımının şematik gösterimi ve koordinat sistemi 39

52 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1 Materyal Tezin hazırlanmasında THM projesinin I. ve II. aşamasında (Yavaş vd. 2000, 2006) çarpıştırıcı modu için önerilen linak-halka tipli elekron-pozitron çarpıştırısına dayanan phi ( φ ) ve charm (c) fabrikalarının 130 ve 1000 MeV enerjili lineer elektron hızlandırıcılarının elektron demet parametreleri kullanılmış, kaynaklar bölümünde belirtilen kitap ve dergiler, ayrıca konu ile dünya çapında çalışmakta olan DESY, Hamburg (Almanya) CERN Cenevre (İsviçre) ifel, Osaka (Japonya) THM IR SEL, Ankara ve EK 1, EK 2, EK 3 ve EK 4 de sunulan dünyadaki SEL laboratuvarlarından web adresi olanların internet sitelerinden yararlanılmıştır. Söz konusu kitap ve dergilerden ulaşılan kuramsal bilgiler kısmında verilen denklemler kullanılarak Mathematica 5.0, SIMPLEX ve Persoe FELCAD programları ile optimizasyon yapılmış ve elde edilen sonuçların grafik ortamında çizdirilebilmesi içinde OrijinPro 7.5 program kullanılmıştır. 3.2 Yöntem Tez çalışmasında SASE ve Osilatör modda SEL üretimi için gerekli lineer elektron hızlandırıcıların, salındırıcı magnetlerin, optik kavite ve ayna sisteminin genel tasarımı yapılmış, SEL in deneysel açıdan önemli fiziksel parametreleri olan dalgaboyu, enerji, güç, akı ve parlaklık değerleri elde edilmiştir. 130 ve 1000 MeV enerjili THM elektron demetlerinin çarpıştırıcı modu dışında SEL üretiminde kullanımı için gerekecek modifikasyonlar tartışılmıştır. THM SEL in kullanım alanları hem osilatör SEL hem de SASE SEL için dünyada çalışan SEL laboratuvarları örnek alınarak belirlenmiştir. SASE SEL için CERN CLIC sürücü demeti ile elde edilecek SEL in parametreleri optimize edilmiş ve bu SEL in nükleer spektroskopi çalışmaları için CLIC*LHC ye dayalı SEL-Çekirdek çarpıştırıcısı için kullanılabileceği gösterilmiştir. Çalışmalar yürütülürken SASE için DESY TTF FEL (Almanya), CLIC Drive Beam FEL (İsviçre) 40

53 ve Osilatör için DIAMOND (İngiltere) ve Osaka ifel (Japonya) laboratuvarlarının deneyimlerinden yararlanılmıştır. Literatürde tespit edilen modeller adı geçen ve dünyada çalışmakta ve planlanmakta olan SEL Laboratuvarlarının parametreleri kullanılarak Mathematica programı ile optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Yapılan Optimizasyon sonuçları Perseo FELCAD ve SIMPLEX programlarından elde edilen SEL parametresi, güç, salındırıcı doyum uzunluğu vb. parametrelerle karşılaştırıldığında aynı değerler bulunmuştur. Grafiklerin çiziminde Perseo FELCAD, Mathematica 5.0 ve OrijinPro 7.5 programları kullanılmıştır. 41

54 4. BULGULAR 4.1 Giriş Türk Hızlandırıcı Merkezi (THM) projesi temelde linak-halka tipli elektron-pozitron çarpıştırıcısı bazında phi ( φ ), charm (c) veya tau ( τ ) fabrikasının kurulmasına dayandırılmıştır. Phi, charm ve tau parçacıkların kütle merkezi enerjileri sırasıyla 1020, 3770 ve 4200 MeV olup rezonansta üretimleri için 2000, 2500 ve 2100 MeV lik pozitron halklarına teğet olarak sırasıyla 130, 1420 ve 2100 MeV lik lineer elektron demetlerinin kullanılması ve bu demetlerin elde edileceği lineer hızlandırıcıların inşa edilmesi planlanmıştır. Ayrıca THM projesi kapsamında parçacık fabrikalarından üretim elde edilmediği durumlar için lineer hızlandırıcıların SEL elde etme de kulanımı önerilmiştir yılına kadar üç farklı elektron demet enerjisi olan 130, 1420 ve 2100 MeV enerjili lineer hızlandırıcılarından elde edilecek parçacık fabrikaları ve SEL ler üzerine çalışmalar yapılmış ve 2006 yılı sonunda charm parçacığının üretimi için yeni bir opsiyon olan 3560 MeV lik pozitron halkasına teğet olarak 1000 MeV lik lineer elektron hızlandırıcısının kullanımı öngörülmüştür. Bu öngörü ile birlikte 130 MeV elektron demet enerjisinde phi parçacığının ve 1000 MeV elektron demet enerjisinde charm parçacığının elde edilmesi çalışmaları hız kazanmış ve dolayısı ile SEL üretimi için de 130 ve 1000 MeV lik lineer elektron demetlerinin kullanımı ön plana çıkmıştır. Bu tez çalışmasında THM projesi kapsamında başlangıçtan beri planlanan tüm lineer elektron demet enerjilerinde SEL üretimi için optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Ancak 130 ve 1000 MeV enerji opsiyonlarının daha ön plana çıkması nedeniyle bununla ilgili optimizasyon çalışmaları daha detaylı olarak verilmiştir. SASE SEL fiziğinin öğrenilmesi için SASE modunda SEL optimizasyonu Mathematica yazılım programı kullanılarak yapılmış ve proğramın doğru çalışıp çalışmadığı birinci 42

55 aşaması 2000 ve ikinci aşaması da 2005 yılında faaliyete geçen TTF SEL laboratuvarlarının parametreleri kullanılarak test edilmiştir. Bu nedenle optimizasyon çalışmaları anlatılırken öncelikle TTF SEL Laboratuvarı ile başlanılmış, THM laboratuvarları için yapılan optimizasyon çalışmaları çizelge ve grafiklerle ayrıntılı olarak verilmiş, SASE modunda planlanan ve linak enerjisi THM ye yakın olan ve yeni bir SEL uygulama alanı olarak Proje Gurubumuzca önerilen CLIC*LHC ye dayalı SEL-Çekirdek çarpıştırıcısının da SASE modunda optimizasyonu yapılmıştır. Ayrıca Perseo FEL CAD ve SIMPLEX gibi SASE optimizasyonuna yönelik simülasyon programları kullanılarak da optimizasyon çalışmaları desteklenmiştir. Osilatör modunda yapılan optimizasyonun test edilmesi için de DIAMOND ve Osaka ifel laboratuvarlarının parametrelerinden yararlanılmıştır. 4.2 TTF SEL (TESLA Test Düzeneği Serbest Elektron Lazeri) Faz I ve II Laboratuvarları ve Optimizasyonu Açılımı TeV Energy Superconducting Linear Accelerator (TESLA) Test Facility (TTF) olan bu test düzeneği; 500 GeV lik kütle merkezi enerjisine sahip lineer elektron proton çarpıştırıcısı TESLA da kullanılacak teknolojiyi test etmek, özellikle DESY de geliştirilen süperiletken RF kavite teknolojisini denemek için kurulmuş bir lineer elektron hızlandırıcısıdır (Alberg et al. 1995). Projenin birinci aşamasında pik akımı 500 A, yaklaşık enerjisi 390 MeV olan bir elektron demetini üretmek için planlanan 8 TTF hızlandırıcı modülünden üçü kullanılmıştır (Brefeld et al. 1997) yılı içinde gerçekleştirilen ilk aşamada 390 MeV lik elektron demeti kullanılarak 109 nm lik lazer demeti elde edilmiştir. TTF de ikinci aşama için 1 GeV lik demet enerjisinde ve 6 nm lik foton dalgaboyunda SEL elde etmek için kendiliğinden genlik artımlı yayınım (SASE) prensibi planlanmıştır. Bu hedefe 2005 de ulaşılmıştır. Bu prensibe göre optik kavite kullanmaksızın dalgaboyu ayarlanabilir SEL üretimi yapılabilir. TTF SEL in toplam 100 m lik uzunluğu kaplayan birinci ve toplam 250 m lik uzunluğu kaplayan ikinci aşamasının planları sırasıyla Şekil 4.1 ve 4.2 de verilmiştir yılında elde edilen 3*10 3 lük SASE SEL in kazancı 2002 yılında yaklaşık 10 6 değerine çıkartılmıştır (Yurkov 2002). 43

56 Şekil 4.1 TTF SEL birinci aşamasının (390 MeV) şematik gösterimi Şekil 4.2 TTF SEL ikinci aşamasının (1 GeV) şematik gösterimi TTF de SEL elde edilirken, elektron demeti süperiletken niobyum (Nb) kavitelerde hızlandırılmaktadır ve birinci aşama için 15 m lik ikinci aşama için de 30 m lik salındırıcı magnetler kullanılmaktadır (Şekil 4.3). 44

57 Şekil 4.3 TTF SEL için geliştirilen ve kurulan salındırıcı magnet TTF SEL I ve II laboratuvarları SASE modunda çalışan laboratuvar olması ve elektron demet enerjilerinin THM SEL e yakın olması nedeniyle örnek olarak alınmıştır. Kuramsal bilgiler bölümünde verilen SASE SEL ile ilgili formalizasyonlar, SASE SEL elde etme koşulları ve Perseo FEL CAD ve SIMPLEX simülasyon programları önce TTF SEL parametrelerinin hesaplanmasında kullanılarak test edilmiş elde edilen sonuçların literatür ile uygunluk sağlaması sonucu THM laborutuvarının parametreleri optimize edilmiştir. Tipik değeri 10-3 civarında olan ve ayrıntısı Denk. 2.1 de verilen ρ SEL parametresinin hesaplanabilmesi için elektron demetinin önemli prametrelerinden olan enerjinin, paketçikteki elektron sayısı ile paketçik boyutlarının ve salındırıcı parametrelerinden salındırıcı periyot uzunluğunun ve salındırıcı kuvvet parametresinin bilinmesi gerekir. Bu nedenle optimizasyona başlanırken Çizelge 4.1 de verilen bu parametreler başlangıç parametreleri olarak alınmıştır. 45

58 Çizelge 4.1 TTF SEL birinci ve ikinci aşama SEL parametrelerini doğrulamak için kullanılan literatür parametreleri (Aberg et al. 1995) Parametreler TTF I TTF II Enerji, E e (GeV) Paketçik başına e - sayısı, n e (10 9 ) β fonksiyonu, m 1 3 Demet yarıçapları σ x, σ y (µm) Paketçik uzunluğu σ z (µm) Periyot uzunluğu, λ u (cm) Gap aralığı, g (cm) ρ SEL parametresinin ρ~1/n ve σ E < ρ kriterlerini sağlayıp sağlamadığına bakılmış ve TTF SEL I ve II. aşama (Tesla Test Facility FEL phase I-II) için bu kriterler sağlandığı için salındırıcının optimizasyonuna geçilmiştir. Salındırıcının gap aralığı g ve salındırıcı periyodu λ u belirlenirken seçilen magnet türünün geçerlilik sağladığı 0.07<g/λ u <0.7 sınır aralıklarında kalması koşulu göz önünde bulundurulmuştur. Salındırıcının gap aralığı g ve salındırıcı periyodu λ u belirlendikten sonra Denk. (2.6) kullanılarak salındırıcı magnetik alanı ve Denk. (2.3) kullanılarak kuvvet parametresi hesaplanmıştır. Denk. (1.13) kullanılarak SEL in kazanç uzunluğu ve buna bağlı olarak ifade edilen SEL in doyum (pik) gücü ve doyuma ulaşması için gerekli salındırıcı uzunluğu sırasıyla Denk. (2.18) ve (2.19) kullanılarak hesaplanmıştır. SEL in enerjisi, dalgaboyu, akısı, parlaklığı ve aydınlık değerleri sırasıyla Denk. (2.4), (2.5) (2.7), (2.9) ve (2.11) kullanılarak hesaplanmıştır. Ayrıca güç doyum grafiğinin çizdirilebilmesi için Perseo FEL CAD programı kullanılmıştır. Sonuçlar Çizelge 4.2 de verilmiştir. Hesaplanan bu değerler literatür verileri ile uyumlu çıkmıştır (Aberg et al. 1995, Rossbach 1996, Pflüger 2000, Wenlong 2000). 46

59 Çizelge 4.2 TTF SEL birinci ve ikinci aşama için hesaplanan parametreler Parametreler TTF I TTF II Normalize emittans, ε (mm.mrad) Demet Akımı, (µa) Pik Akımı, (A) Kuvvet parametresi, K Pik magnetik alan, B u (T) ρ SEL parametresi 2.76x x10-3 Kazanç uzunluğu, L G SEL dalgaboyu, λ l (nm) SEL enerjisi, ev Ortalama güç, (W) Doyum gücü, (GW) Ortalama akı, (foton/s) 7.5x x10 18 Pik akısı (foton/s) 1.0x x10 26 Aydınlık,(foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 8.1x x10 22 Pik aydınlığı,(foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 1.2x x10 30 Parlaklık (foton/s/mrad 2 /0.1%bg) 6.3x x10 21 Pik parlaklık (foton/s/mrad 2 /0.1%bg) 9.2x x10 29 Şekil 4.4 de Perseo FEL CAD SASE SEL simülasyon programı kullanılarak TTF SEL faz II nin salındırıcı uzunluğuna bağlı olarak pik gücünün değişimi çizdirilmiştir. Birinci ve üçüncü harmoniklerin güç değişimlerinin birlikte verildiği grafikte yaklaşık 22 metre de güç doyumuna ulaşılmıştır. 47

60 Pik Gücü (W) z (m) 1h 3h 1h:birinci ve 3h:üçünçü harmonik Şekil 4.4 TTF SEL Faz II için pik gücünün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi Şekil 4.5 de magnetik alanın gap aralığına bağlı değişimine bakılmış g için limit değerler belirlenmiştir. Gap aralığının 0.3 cm değerinin altına düşmesi magnetik alan değerini sonsuza götürürken gap aralığının 2 cm değerinin üzerine çıkmasıda magnetik alan değerinin sabit değerde kalmasını sağlayacaktır. Bu nedenle TTF SEL uygun gap aralığı 1.2 cm seçilerek buna karşı gelen magnetik alan değeri T olarak hesaplanmıştır. 48

61 B T ghcml Şekil 4.5 TTF SEL Faz II için pik magnetik alanının gap aralığına bağlı değişimi Şekil 4.6 da kuvvet parametresinin gap aralığına bağlı değişimine bakılmış salındırıcı magnet açısından K değerinin 3 den küçük olma kriteri göz önünde bulndurularak gap aralığının alacağı minumum değerin 0.5 cm üzerinde olması gerektiği belirlenmiştir. K ghcml Şekil 4.6 TTF SEL Faz II için K salındırıcı parametresinin gap aralığına bağlı değişimi 49

62 SEL parametresi ve SEL dalgaboyunun kuvvet parametresine bağlı değişimleri Şekil 4.7 ve Şekil 4.8 de ve kazanç uzunluğunun SEL parametresine bağlı değişimi Şekil 4.9 da verilmiştir r K Şekil 4.7 TTF SEL Faz II için SEL parametresinin salındırıcı parametresine bağlı değişimi Salındırıcı kuvvet parametresinin SEL oluşumu için 3 den küçük olması koşulu dikkate alındığında K nın değeri arasında değişimini dikkate aldığımızda SEL dalgaboyunu nm arasında değiştirmek mümkündür (Şekil 4.8). l S E L A K Şekil 4.8 TTF SEL Faz II için SEL dalgaboyunun salındırıcı parametresine bağlı değişimi 50

63 Lg m L rh10 - Şekil 4.9 TTF SEL Faz II için kazanç uzunluğunun SEL parametresine bağlı değişimi Ayrıca normalize emittansın ve enerji yayılımının optimum değerlerinin belirlenebilmesi için pik gücüne ve doyum uzunluğuna bağlı değişimlerine bakılmıştır (Şekil ) ve bu değerler de literatür ile uyumlu çıkmıştır (Faatz and Reiche 1999). Şekil 4.10 da normalize emittansın 1-3 mm.mrad arasında değiştirilmesi doyum uzunluğunu 19 m den 25.5 m ye çıkartırken pik gücünü 3.5 GW değerinden 1.8 GW a düşürmüştür. 51

64 Pik Gücü (W) 3,60E+009 3,40E+009 3,20E+009 3,00E+009 2,80E+009 2,60E+009 2,40E+009 2,20E+009 2,00E+009 Pik Gücü Doyum Uzunluğu Doyum Uzunluğu (m) 1,80E Normalize Emittans (mm.mrad) Şekil 4.10 TTF SEL Faz II için pik gücü ve doyum uzunluğunun normalize emittansa bağlı değişimi Şekil 4.11 de enerji yayılımının MeV arasında değiştirilmesi doyum uzunluğunu 19 m den 38 m ye çıkartırken pik gücünün 4 GW dan 0.5 GW değerine düşmesine neden olmaktadır. 4,50E+009 4,00E+009 3,50E+009 Pik Gücü Doyum Uzunluğu Pik Gücü (W) 3,00E+009 2,50E+009 2,00E+009 1,50E+009 1,00E Doyum Uzunluğu (m) 18 5,00E ,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Enerji Yayılımı (MeV) Şekil 4.11 TTF SEL Faz II için pik gücü ve doyum uzunluğunun enerji yayılımına bağlı değişimi 52

65 4.3 THM SASE SEL Optimizasyonu THM projesi kapsamında; linak halka tipli elektron proton çarpıştırıcısının (Charm, Phi ve Tau fabriklarının) kullanılmadığı durumlar için linaktan elde edilen elektron demetini kullanarak SEL üretimi yapmak amaçlanmaktadır. Bu amaca yönelik olarak 130, 1000, 1420 ve 2100 MeV lik enerji değerlerinde çalışacak sırasıyla Charm, Phi ve Tau fabrikalarının linakları SEL üretimi için ayrıca optimize edilmiştir. TTF SEL Faz I ve II örnek alınarak THM SEL in optimizasyonu üç boyutlu modelide içerecek şekilde Perseo FEL CAD ( SIMPLEX ( ve Mathematica 5.0 kullanılarak yapılmıştır. Perseo FELCAD SASE SEL ve SIMPLEX simülasyon programlarında kullanılan fonksiyonlar ve giriş parametreleri Ek 5-6 da verilmiştir. Çarpıştırıcı modu için elde edilen elektron demet parametreleri kullanılarak SASE SEL elde etme imkanları araştırılmıştır. Pik gücünün ve beta fonksiyonunun çok küçük değerlerde olması pik doyum gücüne ulaşmayı ve dolayısı ile SASE SEL elde edilmesini güçleştirmiştir. SEL işlemi için yüksek yoğunluklu, kısa elektron paketçiklerine (düşük emittansa) gereksinim duyulur. Bu nedenle 1, 1.42 ve 2.1 GeV lik elektron demetlerinin emittansları sırasıyla 6.14, 6.25 ve 8.0 mm.mrad değerlerinden 3.1, 2.48 ve 2.1 mm.mrad değerlerine çekilmiş ve pik akımlarının 105, 9.57 ve 6.38 A den 2106, 2872 ve 3829 A değerlerine çıkarabilmek için elektron demetlerinin paketçik boyutlarının belli oranlarda değişimi sağlayacak üç paketçik sıkıştırıcısının kullanımı planlanmıştır. Paketçik sıkıştırma işlemi Şekil 4.12 de görüldüğü gibi paketçik sıkıştırıcıların RF modülleri arasına yerleştirilmesi ile yapılmaktadır. Elektron demet enerjisi RF modülleri ile 20 MeV den 3 GeV e çıkartılırken 2mm paketçik uzunluğu 25 µm ye 3 adet paketçik sıkıştırıcı kullanılarak düşürülebilmektedir. THM linakları için de benzer tasarım yapılırsa mm uzunluğundaki elektron demetini µm ye indirmek mümkün gözükmektedir. 130 MeV lik elektron demetinin emittansı çarpıştırıcı ile aynı olmak şartıyla pik akımının 95.7 A den 957 A değerine çıkarabilmek yani pik akım değerini 10 kat artırmak için elektron demetinin paketçik boyutlarının bir paketçik sıkıştırıcısının kullanımı ile değiştirilmesi mümkündür. SEL üretimi için yukarıda belirtilen 53

66 modifikasyonlar yapılarak elde edilen yeni linak parametreleri ile çarpıştırıcı modu için Recepoğlu (2004) tarafından doktora tez çalışması kapsamında elde edilmiş linak parameteleri Çizelge da verilmiştir. Şekil 4.12 RF modüllerin ve paketçik sıkıştırıcı yapının yerleşimi Çizelge 4.3 THM 130 MeV Çarpıştırıcı ve SEL modu elektron demet parametreleri Çalışma modu Çarpıştırıcı SEL Demet enerjisi, E e (MeV) Paketçik başına e - sayısı, n e (10 9 ) Demet Akımı, (ma) Pik Akımı, (A) Enerji yayılımı ( E/E) Normalize Emittans, ε (m.rad) (10-6 ) Enine demet yarıçapları, σ x σ y (µm) Boyuna Paketçik uzunluğu (mm) 3 3 Beta fonksiyonu, (m) 0.45x Çarpışma frekansı, (MHz) MeV lik linak parametreleri optimize edilirken; elektron demet parametrelerine bağlı olan ρ SEL parametresinin 10-3 mertebesini sağlanabilmesi için beta fonksiyonu 54

67 100 kat ve elektron paketçiğinin enine demet yarıçap değerleri 10 kat artırılmıştır (Çizelge 4.3). 1 GeV lik linak parametreleri optimize edilirken; elektron demet parametrelerine bağlı olan ρ SEL parametresinin 10-3 mertebesinde sağlanabilmesi ve pik doyum gücünün elde edilmesi için beta fonksiyonu 800 kat, elektron paketçiğinin enine demet yarıçap değerleri 20 kat artırılmış ve boyuna paketçik uzunluğu 20 kat ve normalize emittans 2 kat azaltılarak pik akım değeri 105 A den 2106 A e çıkartılmıştır (Çizelge 4.4). Çizelge 4.4 THM 1 GeV Çarpıştırıcı ve SEL modu elektron demet parametreleri Çalışma modu Çarpıştırıcı SEL Demet enerjisi, E e (GeV) 1 1 Paketçik başına e - sayısı, n e (10 9 ) Demet Akımı, (ma) Pik Akımı, (A) Enerji yayılımı ( E/E) Normalize Emittans, ε (m.rad) (10-6 ) Enine demet yarıçapları, σ x σ y (µm) Boyuna Paketçik uzunluğu (mm) Beta fonksiyonu, (m) 0.45x Çarpışma frekansı, (MHz) GeV lik linak parametreleri optimize edilirken; elektron demet parametrelerine bağlı olan ρ SEL parametresinin 10-3 mertebesinde sağlanabilmesi için ve pik doyum gücünün elde edilmesi için beta fonksiyonu 1000 kat, elektron paketçiğinin enine demet yarıçap değerleri 20 kat artırılmış ve boyuna paketçik uzunluğu 100 kat ve normalize emittans 2.5 kat azaltılarak pik akım değeri 9.57 A den 2872 A e çıkartılmıştır (Çizelge 4.5). 55

68 Çizelge 4.5 TAC 1.42 GeV Çarpıştırıcı ve SEL modu elektron demet parametreleri Çalışma modu Çarpıştırıcı SEL Demet enerjisi, E e (GeV) Paketçik başına e - sayısı, n e (10 9 ) Demet Akımı, (ma) Pik Akımı, (A) Enerji yayılımı ( E/E) Normalize Emittans, ε (m.rad) (10-6 ) Enine demet yarıçapları, σ x σ y (µm) Boyuna Paketçik uzunluğu (mm) Beta fonksiyonu, (m) 0.45x Çarpışma frekansı, (MHz) GeV lik linak parametreleri optimize edilirken ise; elektron demet parametrelerine bağlı olan ρ SEL parametresinin 10-3 mertebesinde sağlanabilmesi için ve pik doyum gücünün elde edilmesi için beta fonksiyonu 1500 kat, elektron paketçiğinin enine demet yarıçap değerleri 20 kat artırılmış ve boyuna paketçik uzunluğu 150 kat ve normalize emittans 3.8 kat azaltılarak pik akım değeri 6.38 A den 3829 A e çıkartılmıştır (Çizelge 4.6). Optimizasyon yapılırken salındırıcı magnetin gap (kutup) aralığı ve magnetik alanı, magnet kuvvet parametresi (K) en fazla 3 (salındırıcı magnet için) olacak şekilde bir parametre ayarlaması yapılmıştır. Dolayısıyla, seçilen samaryum kobalt magnet türüne bağlı olarak g/λ u, 0.07<g/λ u <0.7 koşulunu sağlayacak ve K 3 olacak şekilde salındırıcı magnet optimize edilmiştir. 56

69 Çizelge 4.6 THM 2.1 GeV Çarpıştırıcı ve SEL modu elektron demet parametreleri Çalışma modu Çarpıştırıcı SEL Demet enerjisi, E e (GeV) Paketçik başına e - sayısı, n e (10 9 ) 1 4 Demet Akımı, (ma) Pik Akımı, (A) Enerji yayılımı ( E/E) Normalize Emittans, ε (m.rad) (10-6 ) Enine demet yarıçapları, σ x σ y (µm) Boyuna Paketçik uzunluğu (mm) Beta fonksiyonu, (m) 0.45x Çarpışma frekansı, (MHz) Salındırıcının gap aralığı g ve salındırıcı periyodu λ u belirlendikten sonra Denk. (2.6) kullanılarak salındırıcı magnetik alanı ve Denk. (2.3) kullanılarak kuvvet parametresi hesaplanmıştır. Daha sonra SEL in karakteristiğini belirlemek açısından ρ SEL parametresi, elektron demeti ve salındırıcı parametrelerine bağlı olarak enerji yayılım değerine eşit ve büyük olması koşulu göz önüne alınarak bir parametre ayarlaması yapılmıştır. Saturasyon durumunda Nρ ~ 1 olması durumu dikkate alınarak gerekli salındırıcı periyot sayısı belirlenmiştir. Bu hesaplama yapılırken kazanç uzunluğunun salındırıcı doyum uzunluğundan 20 kat daha küçük olması koşuluda sağlanmıştır. Elde edilen salındırıcı parametreleri Çizelge da verilmiştir. Pik magnetik alan ve kuvvet parametresinin, SEL parametresi ve kazanç uzunluğunun, SEL dalgaboyu ve kazanç uzunluğunun gap aralığına bağlı olarak değişimlerini göstermek için 1 GeV lik linakın parametreleri kullanılarak sırasıyla Şekil deki grafikler çizdirilmiştir. 57

70 2,0 1,5 Pik magnetik alan Kuvvet parametresi 5 4 Pik Magnetik Alan (T) 1,0 0, Kuvvet Parametresi 0,0 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Gap Aralığı (cm) 0 Şekil 4.13 THM 1 GeV için pik magnetik alanın ve kuvvet parametresinin gap aralığına bağlı değişimi 0,0040 0,0035 SEL parametresi Kazanç Uzunluğu 1,2 1,1 SEL Parametresi 0,0030 0,0025 0,0020 0,0015 0,0010 0,3 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 Gap Aralığı (cm) 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 Kazanç Uzunluğu (m) Şekil 4.14 THM 1 GeV için SEL parametresi ve kazanç uzunluğunun gap aralığına bağlı değişimi 58

71 Şekil 4.14 de gap aralığı 0.4 cm den 1.6 cm ye değiştirilirken SEL parametresi 3.6x10-3 değerinden 10-3 değerine düşmekte ve kazanç uzunluğu 0.36 m den 1.16 m değerine yükselmektedir. SEL Dalgaboyu (Angstrom) SEL dalgaboyu Kazanç uzunluğu 1,1 1,0 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 Kazanç Uzunluğu (m) 50 0,4 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Gap Aralığı (cm) Şekil 4.15 THM 1 GeV için SEL dalgaboyu ve kazanç uzunluğunun gap aralığına bağlı değişimi Şekil 4.15 de THM 1 GeV için salındırıcı gap aralığını cm aralığında değiştirerek SEL dalgaboyunun Angstrom aralığında değiştirmek mümkün olmaktadır. Pik gücünün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi çizdirebilmek için Perseo FEL CAD programı kullanılmış ve tüm linak enerjileri için güç doyum uzunlukları belirlenmiştir (Şekil ). 59

72 h:birinci ve 3h: üçünçü harmonik Pik Gücü (W) h 3h z (m) Şekil 4.16 Enerji yayılımı % 0.1 iken THM 130 MeV için gücün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi Pik Gücü (W) h:birinci ve 3h: üçünçü harmonik h 3h z (m) Şekil 4.17 Enerji yayılımı % 0.1 iken pik akımı 10 kat artırıldığında THM 130 MeV için gücün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi 60

73 Şekil 4.16 da 130 MeV enerjili elektron demetinden elde edilecek SEL in 1. ve 3. harmonikleri için salındırıcı uzunluğuna bağlı olarak pik gücünün değişim grafiği verilmekte ve yaklaşık 22 m de güç doyumunun elde edileceği gözükmektedir. Pik akım değerinin 10 kat artırılması durumunda salındırıcı doyum uzunluğu 22 m den 4.2 m düşmekte ve pik gücü 10 MW dan 3 GW değerine çıkmaktadır (Şekil 4.17). Şekil 4.18 de 1 GeV enerjili elektron demetinden elde edilecek SEL in 1. ve 3. harmonikleri için salındırıcı uzunluğuna bağlı olarak pik gücünün değişim grafiği verilmekte ve yaklaşık 36 m de güç doyumunun elde edileceği gözükmektedir. THM 1 GeV ile aynı enerjiye sahip TTF SEL faz II ı kıyaslarsak TTF SEL faz II de yaklaşık 22 m de güç doyumu elde edilmiştir. Bu farklılık THM SEL de pik akımı 2106 A ve normalize emittans 3.1 mm.mrad iken TTF SEL faz II de pik akımı 2500 A ve normalize emittansın 2 mm.mrad olmasından kaynaklanmaktadır. Güç doyum uzunluğunu kısaltmak için pik akımın artırılması, normalize emittansın veya enerji yayılımının düşürülmesi gerekmektedir. Denk. (2.18) ve Denk. (2.19) kullanarak pik akımının Şekil 4.19 i kullanarak enerji yayılımının ve Şekil 4.25 i kullanarak emittansın doyum uzunluğuna katkısını görmek mümkündür. Şekil 4.19 da enerji yayılımının % 0.1 den % 0.05 değerine düşürülmesi doyum uzunluğunun 36 m den 26 m ye düşürmüştür. 61

74 Pik Gücü (W) h:birinci ve 3h:üçünçü harmonik h 3h z (m) Şekil 4.18 Enerji yayılımı % 0.1 iken THM 1 GeV için gücün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi Pik Gücü (W) h:birinci ve 3h:üçünçü harmonik h 3h z (m) Şekil 4.19 Enerji yayılımı % 0.05 iken THM 1 GeV için gücün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi 62

75 Pik Gücü (W) h:birinci ve 3h:üçünçü harmonik h 3h z (m) Şekil 4.20 THM 1420 MeV için gücün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi h:birinci ve 3h:üçünçü harmonik Pik Gücü (W) h 3h z (m) Şekil 4.21 THM 2100 MeV için gücün salındırıcı uzunluğuna bağlı değişimi 63

76 Şekil 4.20 de 1.42 GeV enerjili elektron demetinden elde edilecek SEL in 1. ve 3. harmonikleri için salındırıcı uzunluğuna bağlı olarak pik gücünün değişim grafiği verilmekte ve yaklaşık 46 m de güç doyumunun elde edileceği gözükmektedir. Şekil 4.21 de 2.1 GeV enerjili elektron demetinden elde edilecek SEL in 1. ve 3. harmonikleri için salındırıcı uzunluğuna bağlı olarak pik gücünün değişim grafiği verilmekte ve yaklaşık 78 m de güç doyumunun elde edileceği gözükmektedir. L u >L doyum koşulu göz önünde bulundurularak toplam salındırıcı uzunluğu buna göre belirlenir. Eğer salındırıcı yapı modüllerden meydana gelirse her modül arası mesafe salındırıcı uzunluğuna eklenir. Çizelge 4.7 THM 130 MeV için salındırıcı parametreleri Periyot uzunluğu, λ u (cm) 3.0 Gap aralığı, g (cm) 1.2 Pik magnetik alan, B u (T) Kuvvet parametresi Salındırıcı doyum uzunluğu (m) 24 Kutup sayısı, N 800 Çizelge 4.8 THM 1 GeV için salındırıcı parametreleri Periyot uzunluğu, λ u (cm) 3.0 Gap aralığı, g (cm) 1.2 Pik magnetik alan, B u (T) Kuvvet parametresi Salındırıcı doyum uzunluğu (m) 36 Kutup sayısı, N

77 Çizelge 4.9 THM 1.42 GeV için salındırıcı parametreleri Periyot uzunluğu, λ u (cm) 3.0 Gap aralığı, g (cm) 1.2 Pik magnetik alan, B u (T) Kuvvet parametresi Salındırıcı doyum uzunluğu (m) 48 Kutup sayısı, N 1600 Çizelge 4.10 THM 2.1 GeV için salındırıcı parametreleri Periyot uzunluğu, λ u (cm) 3.0 Gap aralığı, g (cm) 1.2 Pik magnetik alan, B u (T) Kuvvet parametresi Salındırıcı doyum uzunluğu (m) 78 Kutup sayısı, N 2600 Ayrıca SASE SEL elde edebilmek için; salındırıcı uzunluğunun kazanç uzunluğundan büyük olması, enine demet emittansı dalgaboyundan küçük olması, demet enerji yayılımı serbest elektron lazeri parametresinden küçük olması ve kazanç uzunluğunun Raleigh ışınım uzunluğundan kısa olması koşulları optimizasyon yapılırken sağlanmıştır. Denk. (1.13) kullanılarak SEL in kazanç uzunluğu ve buna bağlı olarak ifade edilen SEL in doyum (pik) gücü ve doyuma ulaşması için gerekli salındırıcı uzunluğu Denk. (2.18) ve (2.19) kullanılarak hesaplanmıştır. SEL in enerjisi, dalgaboyu, akısı, parlaklığı ve aydınlık değerleri sırasıyla Denk. (2.4), (2.5) (2.7), (2.9) ve (2.11) kullanılarak hesaplanmıştır. Elde edilen SEL parametreleri Çizelge de verilmiştir. 65

78 Çizelge 4.11 THM 130 MeV için SASE SEL parametreleri (Yavaş and Yiğit 2006, 2007) Lazerin Dalgaboyu, λ SEL (nm) Enerjisi, E SEL (ev) 2.7 ρ parametresi 4.3x10-3 Doyum gücü, (GW) 0.01 Ortalama gücü, (kw) 18 Kazanç uzunluğu, L g1d (m) 0.32 Kazanç uzunluğu, 3D L G3D (m) 1.00 Akı (Foton/s) 4.2x10 22 Pik Akısı (Foton/s) 1.2x10 26 Parlaklık,(Foton/s/mrad 2 /0.1%bg) 1.8x10 22 Pik parlaklık,(foton/s/mrad 2 /0.1%bg) 5.3x10 25 Aydınlık,(Foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 1.6x10 22 Pik Aydınlık,(Foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 5.7x10 25 Çizelge 4.12 THM 1 GeV için SEL parametreleri (Yavaş and Yiğit 2007) Lazerin Dalgaboyu, λ SEL (nm) 7.7 Enerjisi, E SEL (ev) ρ parametresi 1.8x10-3 Doyum gücü, (GW) 1.4 Ortalama gücü, (kw) 21.8 Kazanç uzunluğu, L g (m) 0.75 Kazanç uzunluğu, 3D L G3D (m) 1.57 Akı (Foton/s) 8.5x10 20 Pik Akısı (Foton/s) 1.5x10 26 Parlaklık,(Foton/s/mrad 2 /0.1%bg) 9.8x10 23 Pik parlaklık,(foton/s/mrad 2 /0.1%bg) 1.7x10 29 Aydınlık,(Foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 1.7x10 25 Pik Aydınlık,(Foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 2.9x

79 Çizelge 4.13 THM 1.42 GeV için SEL parametreleri Lazerin Dalgaboyu, λ SEL (nm) 3.8 Enerjisi, E SEL (ev) ρ parametresi 1.59x10-3 Doyum gücü, (GW) 3.6 Ortalama gücü, (kw) 22.2 Kazanç uzunluğu, 1D L g (m) 0.86 Kazanç uzunluğu, 3D L G3D (m) 1.47 Akı (Foton/s) 4.3x10 20 Pik Akısı (Foton/s) 1.25x10 26 Parlaklık,(Foton/s/mrad 2 /0.1%bg) 1.4x10 24 Pik parlaklık,(foton/s/mrad 2 /0.1%bg) 4.1x10 29 Aydınlık,(Foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 3.9x10 25 Pik Aydınlık,(Foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 1.2x10 31 Çizelge 4.14 THM 2.1 GeV için SEL parametreleri Lazerin Dalgaboyu, λ SEL (nm) 1.7 Enerjisi, E SEL (ev) ρ parametresi 1.2x10-3 Doyum gücü, (GW) 6.0 Ortalama gücü, (kw) 22.7 Kazanç uzunluğu, 1D L g (m) 1.1 Kazanç uzunluğu, 3D L G3D (m) 1.77 Akı (Foton/s) 2.0x10 20 Pik Akısı (Foton/s) 8.8x10 25 Parlaklık,(Foton/s/mrad 2 /0.1%bg) 3.9x10 24 Pik parlaklık,(foton/s/mrad 2 /0.1%bg) 1.7x10 30 Aydınlık,(Foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 1.4x10 26 Pik Aydınlık,(Foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 6.2x

80 THM 130 ve 1000 MeV enerjili lineer hızlandırıcılara dayalı SEL üretiminde ayrıca normalize emittansın ve enerji yayılımının optimum değerlerinin belirlenebilmesi için pik gücüne ve doyum uzunluğuna bağlı değişimlerine her bir linak enerjisi için ayrı ayrı bakılmıştır (Şekil ). Şekil 4.22 de normalize emittansın 2-8 mm.mrad arasında değiştirilmesi doyum uzunluğunu 13 m den 33 m ye çıkartırken pik gücünün 23 MW dan 3 MW değerine düşmesine neden olmaktadır Pik Gücü Doyum Uzunluğu Pik Gücü (MW) Doyum Uzunluğu (m) Normalize emittans (mm.mrad) Şekil 4.22 THM 130 MeV için pik gücü ve doyum uzunluğunun normalize emittansa bağlı değişimi Şekil 4.23 de enerji yayılımının MeV arasında değiştirilmesi doyum uzunluğunu 27 m den 35 m ye çıkartırken pik gücünün 12 MW dan 2 MW değerine düşmesine neden olmaktadır. 68

81 Pik Gücü (MW) 12 Pik Gücü Doyum Uzunluğu ,00 0,05 0,10 0,15 0,20 0,25 0,30 Enerji Yayılımı (MeV) Doyum Uzunluğu (m) Şekil 4.23 THM 130 MeV için pik gücü ve doyum uzunluğunun enerji yayılımına bağlı değişimi Şekil 4.24 de normalize emittansın 1-5 mm.mrad arasında değiştirilmesi doyum uzunluğunu 25 m den 41 m ye çıkartırken pik gücünün 2.3 GW dan 0.8 GW değerine düşmesine neden olmaktadır. Şekil 4.25 de enerji yayılımının MeV arasında değiştirilmesi doyum uzunluğunu 26 m den 44 m ye çıkartırken pik gücünün 2.2 GW dan 0.7 GW değerine düşmesine neden olmaktadır. 69

82 2,40E+009 2,20E+009 Pik Gücü Doyum Uzunluğu ,00E Pik Gücü (W) 1,80E+009 1,60E+009 1,40E+009 1,20E+009 1,00E+009 8,00E+008 6,00E Doyum Uzunluğu (m) Normalize Emittans (mm.mrad) Şekil 4.24 THM 1 GeV için pik gücü ve doyum uzunluğunun normalize emittansa bağlı değişimi 2,40E+009 2,20E+009 2,00E+009 Pik Gücü Doyum Uzunluğu Pik Gücü (W) 1,80E+009 1,60E+009 1,40E+009 1,20E+009 1,00E Doyum Uzunluğu (m) 8,00E+008 6,00E+008 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 Enerji Yayılımı (MeV) Şekil 4.25 THM 1 GeV için pik gücü ve doyum uzunluğunun enerji yayılımına bağlı değişimi 70

83 Şekil da 130 ve 1000 MeV THM SASE SEL in birinci ve üçüncü harmonik piklerinin akı değerlerinin foton enerjisine bağlı olarak değişimleri elde edilmiştir. Şekil 4.26 THM 130 MeV için logaritmik ölçekte pik foton akısının foton enerjisine bağlı değişimi Şekil 4.27 THM 130 MeV için pik foton akısının foton enerjisine bağlı değişimi 71

84 Şekil 4.28 THM 1 GeV için logaritmik ölçekte pik foton akısının foton enerjisine bağlı değişimi Şekil 4.29 THM 1 GeV için pik foton akısının foton enerjisine bağlı değişimi THM SEL in dünyada çalışmakta ve proje aşamasında olan SEL laboratuvarları arasında konumu foton enerjisi ve parlaklık değerine bağlı olarak belirlenmiştir (Şekil 4.30). Ayrıca 3. nesil sinkrotron ışınımı kaynaklarına göre üstünlüğüde gösterilmiştir. 72

85 Şekil nesil sinkrotron ışınımı kaynakları ve SEL lerin pik aydınlığı değerinin foton enerjisine bağlı değişimi RF hızlandırma teknolojisini kullanarak çalışan SASE SEL laboratuvarları Çizelge 4.15 de ve proje aşamasında olan SASE SEL laboratuvarları da Çizelge 4.16 da verilmiştir. 73

86 Çizelge 4.15 Dünyada mevcut SASE SEL Laboratuvarları SASE SEL λ σ (ps) E I (A) N λ u K Hızlandırıcı Laboratuvarları (nm) (MeV) (cm) (rms) tipi DESY (TTF-I) RF DESY (TTF-II) RF UCLA-BNL (VISA) RF ANL (APSFEL) RF RIKEN (SCSS RF Protype) DESY (FLASH) RF Çizelge 4.16 Proje aşamasında olan SASE SEL Laboratuvarları SASE SEL λ σ E I (A) N λ u K Hızlandırıcı Laboratuvarları (nm) (ps) (MeV) (cm) (rms) tipi Daresbury (4GLS- XUV) RF Italy (SPARX) RF BESSY (Soft X- ray) RF Trieste (FERMI) RF SLAC (LCLS) RF DESY (XFEL) RF RIKEN (Spring RF SCSS) Türkiye (THM RF SASE SEL) 6 74

87 TTF SEL faz II ile aynı enerjide planlanan THM SASE SEL in 1 GeV lik linak parametreleri Çizelge 4.17 de TTF SEL II ile beraber verilmiştir. Yine iki aynı laboratuvarın salındırıcı ve SEL parametreleri Çizelge 4.18 ve Çizelge 4.19 da verilmiştir. Çarpıştırıcı modu parametrelerinde gerekli modifikasyonlar yapılabilmesi durumunda TTF II ile de uyumlu parametreler elde edilmektedir. Çizelge 4.17 TTF Faz II ve THM SASE SEL için elektron demet parametreleri Elektron Demet Parametreleri TTF SEL II THM SASE SEL Demet enerjisi, E e (MeV) Paketçik başına e - sayısı, n e (10 9 ) Demet Akımı, (µa) Pik Akımı, (A) Enerji yayılımı ( E/E) Normalize Emittans, ε (m.rad) (10-6 ) Enine demet yarıçapları, σ x σ y (µm) Boyuna Paketçik uzunluğu (µm) Beta fonksiyonu, (m) Paketçik yükü (nc) Çizelge 4.18 TTF Faz II ve THM SASE SEL için salındırıcı parametreleri Salındırıcı Parametreleri TTF SEL II THM SASE SEL Periyot uzunluğu, λ u (cm) Gap aralığı, g (cm) Pik magnetik alan, B u (T) Kuvvet parametresi Salındırıcı uzunluğu (m) Kutup sayısı, N

88 Çizelge 4.19 TTF Faz II (Aberg et al. 1995, Rossbach 1996, Pflüger 2000, Wenlong 2000) ve THM SASE SEL parametreleri (Yavaş and Yiğit 2007) Serbest Elektron Lazeri Parametreleri TTF SEL II THM SASE SEL Lazerin Dalgaboyu, λ SEL (nm) Enerjisi, E SEL (ev) ρ parametresi 2.1x x10-3 Pik gücü, (GW) Ortalama gücü, (W) Kazanç uzunluğu, L g (m) Akı (Foton/s) 3.0x x10 20 Pik Akısı (Foton/s) 1.0x x10 26 Parlaklık,(Foton/s/mrad 2 /0.1%bg) 6.0x x10 23 Pik parlaklık,(foton/s/mrad 2 /0.1%bg) 2.2x x10 29 Aydınlık,(Foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 3.5x x10 25 Pik Aydınlık,(Foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 2.4x x CLIC SASE SEL Optimizasyonu SASE SEL in demet yapısının, koherentliğinin, akısının ve kutuplanabilirliğinin Nükleer Spektroskopide sağlayacağı avantajlar dikkate alınarak CERN CLIC çarpıştırıcısına dayalı elde edilecek SASE SEL in optimizasyonu yapılmıştır. CERN de geliştirilen, iki demet (sürücü ve ana demet) hızlandırma ilkesine dayanan ve test çalışmalarının 3. aşaması devam eden CLIC (Compact Linear Collider) (Şekil 4.31) lineer hızlandırıcısının sürücü demetinden SASE modunda elde edilecek SEL in yine CERN de kurulmakta olan LHC (Large Hadron Collider) hızlandırıcısından elde edilecek tam iyonize kurşun (Pb) demeti ile çarpıştırılmasını öngören SEL-Çekirdek çarpıştırıcısının ana demet parametreleri ve lazer parametreleri belirlenmiş, bu çarpıştırıcının nükleer spektroskopik bulgular açısından kapasitesinin irdelemesi 76

89 yapılmıştır. Özellikle kullanılan foton demetinin (SEL) yüksek monokromatiklik ve polarizasyon yüzdesi ile nükleer spektroskopi açısından sağlayacağı üstünlük geleneksel (γ, γ ) saçılmaları ile gözlenemeyen Pb uyarılma seviyeleri için analiz edilmiştir (Yavaş et al. 2004, 2005a,b). Şekil 4.31 CLIC kompleksinin yerleşimi LHC iyon demeti 100 ns aralıklı, 250 ps rms süreli paketçiklerden meydana gelmektedir. CLIC in tekrarlama frekansı 200 Hz iken, paketçik süresi sürücü demet tarafından üretilen RF atmalarının zaman yapısı ile bağlantılıdır (Şekil 4.32). Sürücü demet 1 µs aralıklı, 65 ns lik atmalardan meydana gelir. Her 1 µs lik sürücü demet aralığına 10 iyon paketçiği karşı gelir. Çekirdek demetlerinin LHC den, SEL demetinin ise CLIC sürücü (drive) demetinden elde edilmesi planlanmıştır (Corsini 2004). Nükleer spektroskopik açıdan uyarılma enerji düzeyleri, LHC çekirdek demeti enerjileri, ihtiyaç duyulan SEL enerji aralığı ve bunun için gerekli elektron enerji aralığı ise aşağıdaki şekilde tespit edilmiştir (Yavaş et al. 2004). 77

90 Şekil 4.32 LHC iyon demeti ile sürücü demet arasındaki zaman yapısının ayarlaması E1 ve M1 dipol uyarılmalarının enerji aralığı: E uy = 2-20 MeV LHC çekirdek demeti Enerjisi: E A = γ A m A c2, γ A = γ p Z/A, γ p ~ 7462 Gerekli SEL enerjileri: ω SEL = kev ( nm) LHC çekirdek demetlerinin uyarılması için gerekli enerji: E uy = 2 γ A ω SEL λ u =2.5 cm ve B u =0.43 T olan CLIC sürücü demeti için gerekli enerji aralığı: E elektron GeV CLIC sürücü demetinin atmaları kullanılarak Serbest Elektron Lazeri elde edilebileceği ve bu demetin tam iyonize LHC çekirdek demetleri ile çarpıştırılarak nükleer spektroskopi çalışılabileceği Pb çekirdeği baz alınarak gösterilmiştir. Ayrıca LHC de kurşunun yanı sıra, daha hafif çekirdekler gerek nükleer özellikleri gerekse geçiş 78

91 bölgesi, deforme v.b. özellikleri dikkate alınarak iyon programına dahil edilmiştir. LHC iyon programında yer alan diğer çekirdekler, izotopları, LHC deki demet demet çarpışmaları için ışınlık değerleri, paketçik yoğunlukları ve bu çekirdekler için geleneksel NRF yöntemleri ile ilgili nükleer spektroskopik verilerin yer aldığı referanslar Çizelge 4.20 de verilmiştir. Çizelge 4.20 LHC in iyon programı ve çekirdek uyarılmaları için referanslar Çekirdek Paketçik yoğunluğu (LHC) Işınlık AA çarpıştırıcısı (LHC) İzotop A Çekirdek uyarılmaları için referanslar Pb (82,208) Nucl. Data Sheets (NDS) 47(1986)797 Sn (50,120) NDS 96 (2002) 241 Kr (36,84) NDS 81(1997)331 Ar (18,40) NDS 102(2004)293 O (8,16) Nucl. Phys. 564 (1993) 1 Pb çekirdeğinin bozunum genişliği Γ=0.783 ev, rezonans tesir kesiti σ r ez= ve saniyede gözlenen olay sayısı N(2) = olay/saniye olarak belirlenen MeV seviyesini bozunum genişliği bilinen seviye olarak alırsak bu seviyenin verilerinden hareketle bozunum genişliği belli olmayan aynı çekirdeğin rezonans tesir kesiti σ r ez = ve spini J=1 olan MeV uyarılma seviyesinin bozunum genişliği için bir üst limit olarak Γ = ev değerini belirleyebiliriz. Bu hesaplama için gözlenebilir sınır olarak saniyede 100 olayın yeterli olacağı söylenebilir. Bu sonuç MeV seviyesinin bozunum genişliğinin ev değerinden büyük olduğu durumlarda CLIC ve LHC`ye dayalı SEL-Çekirdek çarpıştırıcısında gözlenebilir bir seviye olacağı şeklinde yorumlanabilir. 79

92 Işınlık hedefleri için elektron demeti ve çekirdek demetlerinin paketçik ve atma (puls) yapısı mümkün olduğunca ayarlanmalıdır. Demet parametreleri ve paketçik yoğunlukları da dikkate alındığında ışınlık değeri olarak cm -2 s -1 düzeyine ulaşılabileceği gösterilmiştir (Yavaş et al. 2004, Braun et al. 2005). SEL parametrelerinin optimizasyonu SEL sürecinin üç boyutlu simülasyonunu gerektirir ve bu da başlangıç elektron demet parametrelerinin ayrıntılı olarak bilinmesi ile mümkündür. Fakat üç boyutlu etkilerin yarı analitik hesabı bir boyutlu basit bir model kullanılarak da yapılabilir (Corsini et al. 1996). SEL frekansı, salındırıcı magnet periyodu ve magnetik alanı sabit tutularak demet enerjisinin değiştirilmesi ile ayarlanır. 4 nm de 1.1 GeV demet enerjisini alırsak, salındırıcı magnet alanı ve periyodu sırasıyla 0.43 T ve 2.5 cm olur. Salındırıcılardaki ek odaklama ile elde edilen ortalama 2 m lik β fonksiyonu optimum değerdedir, 20 m nin altında doyum uzunluğu elde edilebilir ve fotonların toplam sayısı n γ = dür. Bu sonuçların kullanılması ile elde edilen ışınlık değeri, n b =100 alınması durumunda 4 nm dalga boyunda L= cm -2 s -1. Bu ışınlık çok yüksek istatistik ve olay oranlarını verecektir. Çizelge 4.21 de CLIC*LHC ye dayalı SEL-Çekirdek çarpıştırıcıları için olay sayıları, rezonans ve ortalama tesir kesitleri, parite değerleri ve gerekli SEL enerjileri gösterilmektedir. 80

93 Çizelge Pb Çekirdeğinin uyarılmalarının ana karekteristikleri E(MeV) Γ (ev) J π ω SEL (kev) σ rez (cm 2 ) σ ort (cm 2 ) R/S SEL in önemli uygulama alanlarından biri olan tam iyonize çekirdek demetleri ile SEL in çarpıştırılması deneyleri kapsamında; CLIC SEL-Çekirdek çarpıştırıcısı için kullanılacak SEL in parametreleri gerekli SEL enerjisi ev göre optimize edilerek Çizelge 4.22 ve 4.23 de verilmiştir (Yavaş et al. 2005). 81

94 Çizelge 4.22 CLIC sürücü demet parametreleri Enerji, E e (GeV) 1.1/3.5 Paketçik yükü, nc 1 Paketçik başına e - sayısı, n e (10 9 ) 6.25 β fonksiyonu, m 2/6 Normalize emittans mm.mrad Demet yarıçapları σ x, σ y (µm) 30 Enerji yayılımı 10-3 Paketçik uzunluğu σ z (µm) 50 Demet akımı (µa) 115 Pik akımı, (A) 2393 Tekrarlama frekansı Hz 200 Paketçik sayısı 1386 Çizelge 4.23 CLIC salındırıcı ve SEL parametreleri Periyot uzunluğu, λ u (cm) 2.5 Kuvvet parametresi, K Pik magnetik alan, B u (T) 0.43 ρ parametresi 1.2x10-3 / 5.5x10-4 Kazanç uzunluğu (m) (1D) 0.95/2.08 Doyum uzunluğu (m) 20/50 SEL dalgaboyu, λ l (nm) 4/0.4 SEL enerjisi ev 0.34/3.4 Doyum gücü, (GW) 3.15/6.2 82

95 4.5 THM Osilator SEL Optimizasyonu Uzun salındırıcı magnetler kullanılarak SASE SEL de tüm dalgaboylarında SEL elde etmek mümkün ancak osilatör SEL de ayna teknolojisinin getirdiği sınırlamalardan dolayı 180 nm nin altına inilememektedir (Şekil 4.33 ). THM SEL in hem SASE hem de osilatör modda optimizasyonu yapılırken ayna teknolojisinin getirdiği sınırlamalar dikkate alınarak sadece 130 MeV için osilatör modda optimizasyon yapılmıştır. Şekil 4.33 Osilatör SEL ile SASE SEL in şematik kıyaslaması Optik kavitede kullanılabilecek minimum salındırıcı magnet gap aralığı gausyen demetin bel kalınlığı olarak bilinen ve ışınımın aynalar üzerine düştüğü alanın yarıçapı ile de gösterilen ω ile belirlenir. Spot genişliğine göre ayarlanan uygun büyüklükteki gap aralığı, gausyen demetin tamamına yakınının (yaklaşık %99) iletimini sağlayarak kazanç mekanizmasını etkileyen önemli bir parametredir (Chesworth 2000). Optik kavite tasarımında kavite uzunluğu, gausyen demet spot genişliğinin ve özellikle uzun dalgaboylarında kavite aynalarındaki kırınım kayıplarının minimum olması için kısa olmalıdır. Şekil 4.34 de tasarımı yapılan THM Osilatör SEL için spot genişlikleri 83

96 hesaplanmış ve Şekil 4.35 de İngiltere de yapım aşamasında olan DIAMOND SEL tesisi ile karşılaştırmalı olarak verilmiştir Gaussiyen spot genişliği (µm) w1,2 w Dalgaboyu (nm) Şekil 4.34 THM 130 MeV Osilatör SEL için hesaplanan ışınımın spot genişlikleri Şekil 4.35 DIAMOND laboratuvarının ışınımın spot genişlikleri 84

97 THM projesi kapsamında linak-halka tipli elekron-pozitron çarpıştırısına dayanan phi fabrikasının lineer elektron hızlandırıcısından SEL üretimi planlanmıştır. Recepoğlu doktora tezi kapsamında çarpıştırıcı modu için planlanan Çizelge 4.24 de verilen 130 MeV lik lineer elektron hızlandırıcısının demet parametreleri kullanılmış SEL üretimi için optik kavite ve salındırıcı magnet tasarımı yapılmıştır. Ancak çarpıştırıcı elektron demet parametrelerinden elektron demet çapının küçük olması osilatör SEL için çalışma bölgesi olan düşük kazanç bölgesinin elde edilmesini imkansız kıldığı için 9.4x10-6 m olan elektron demet yarıçapı 5x10-4 m değerine çekilerek düşük kazanç bölgesi için (g 0 0.3) uygun değer 0.25 olarak elde edilmiştir. Çizelge 4.24 THM 130 MeV Osilatör SEL elektron demet parametreleri Demet enerjisi, E e (MeV) 130 Paketçik başına e - sayısı, n e (10 9 ) 15 Demet akımı, (ma) 72 Pik akımı, (A) 95.7 Enerji yayılımı ( E/E) 10-3 Normalize emittans, ε (m.rad) (10-6 ) 4.9 Enine demet yarıçapları, σ x σ y (µm) 9.4/500 Boyuna paketçik uzunluğu, (mm) 3 Demetin tekrarlama frekansı, (MHz) 30 Osilatör SEL tasarımında optik kavitenin kararlılığını g 1 ve g 2 rezonatör parametreleri belirlemektedir. Kararlı bir kavite için g 1 ve g 2 rezonatör parametrelerinin çarpımı 0 ve 1 aralığında olmalıdır (Chesworth 2000). 0 < g.g 2 1 < 1 g 1.g 2 rezonatör parametrelerinin verilen aralıkta seçilmesi kavite tasarımında ayna yarıçaplarının belirlenmesini sağlar. Kavite içindeki optik atmalar ile elektron atmalarının üst üste binmesinin sağlanabilmesi için kavite uzunluğu, n tamsayısına ve 85

98 elektron atmasının tekrarlama frekansına bağlı olarak; Lc = nc / 2f şeklinde ifade edilir ( 2006, Cohen et al. 1995). 30 MHz lik tekrarlama frekansı için gerekli kavite uzunluğu 5 m olarak bulunur. Denk kullanılarak R1 ve R2 ayna eğrilik yarıçapları, Denk kullanılarak Railegh uzunluğu, Denk. 2.30, 2.32 ve 2.33 kullanılarak ışınımın spot genişlikleri sırasıyla ω 0, ω 1 ve ω 2 hesaplanmıştır (Çizelge 4.25). Çizelge 4.25 THM 130 MeV Osilatör SEL optik kavite parametreleri Optik kavite uzunluğu, Lc (m) 5 Birinci ayna eğrilik yarıçapı, R 1 (m) 3 İkinci ayna eğrilik yarıçapı, R 2 (m) 3 Rayleigh uzunluğu, Z R (m) 1.1 Kontrol parametresi, g 1 xg Işınım spot genişliği, ω 1 (mm) 0.77 Işınımın spot genişliği, ω 2 (mm) 0.77 Işınımın minimum spot genişliği, ω 0 (mm) 0.31 Salındırıcı magnet, elektronların ilerleme doğrultusu boyunca sağa ve sola hareket etmesini sağlayarak sinüssel harekete neden olan enine periyodik bir magnetik alan kaynağıdır (Wille and Mcfaal 2000). THM Osilatör SEL tasarımı için, B 0 magnetik alan değeri 1.05 T olan Sm 2 Co 17 (samaryum kobalt) malzemeden yapılmış bir magnet düşünülmüştür. Samaryum kobalt salındırıcı malzemesi Nd 2 Fe 14 B a göre %30 daha az magnetik alan sağlar. Fakat samaryum kobaltın Curie sıcaklığı ~750 C iken niodyum demirin sıcaklığı 320 C dir. Bu durum samaryun kobalta uzun süreli kararlılık, sıcaklık hassasiyeti ve ışınım direnci sağlar (Gaupp 1995). Salındırıcı aralığı g > πω kriterini sağlayacak şekilde seçilmiş ve 18-8 cm aralığında değiştirilerek K için değerleri elde edilmiştir. Tek geçişteki SEL kazancının maksimum olması için, salındırıcı uzunluğunun Railegh uzunluğuna oranının (Lu/Z R ) 2-5 değerleri arasında olma koşuluda optimizasyon yapılırken dikkate alınarak seçilen 86

99 3cm lik salındırıcı periyot uzunluğu için salındırıcı magnet uzunluğu 2.4 m olarak belirlenmiştir. Çizelge 4.26 THM 130 MeV Osilatör SEL salındırıcı magnet parametreleri Salındırıcı magnet periyodu, λ u (cm) 3 Salındırıcı magnet kutup sayısı 80 Salındırıcı magnet uzunluğu, Lu (m) 2.4 Salındırıcı magnet aralığı, g (mm) 18-8 Maksimum alan şiddeti, B0 (T) Salındırıcı magnet kuvvet parametresi, K Optimizasyonda yaklaşık nm dalgaboyu aralığı için gerekli olan salındırıcı magnet gap aralığı ve kuvvet parametresi değerleri üzerinde çalışılmış ve gap aralığı 18-8 mm olarak hesaplanmıştır. Şekil 4.36 ve 4.37 de farklı dalgaboylarına karşı hesaplanan K salındırıcı magnet parametresi ve salındırıcı magnet gap aralığı değerleri grafik üzerinde DIAMOND ile karşılaştırmalı olarak gösterilmektedir. Şekil 4.38 de salındırıcı için K parametresini 0.6 değerinden 3 değerine kadar çıkarttığımızda dalgaboyunu nm arasında taramak mümkün gözükmektedir. Şekil 4.36 DIAMOND için 20, 30 ve 40 MeV elektron enerjileri için kullanılan salındırıcı magnet aralığının ve kuvvet parametresinin lazer dalgaboyuna bağımlılığı 87

100 3,0 2,5 Gap K parametresi 5 4 Gap (cm) 2,0 1,5 1,0 3 2 K parametresi 0,5 1 0, Dalgaboyu (nm) Şekil 4.37 THM 130 MeV Osilatör SEL de magnet aralığı, kuvvet parametresi ve ışınımın dalgaboyu arasındaki ilişki SEL osilatorlar için yüksek parlaklıklı elektron demeti (yüksek akım yoğunluğu) elde etmek için lineer hızlandırıcılar gerekmektedir. Denklem 2.4, 2.8, 2.35, 2.36, 2.37, 2.38 ve kullanılarak sırasıyla SEL in enerjisi, akısı, gücü, doyum ve pik parlaklığı ile doyum güç yoğunluğu değerleri hesaplanmıştır. Akının foton enerjisine bağlı değişimi Şekil 4.38 de verilmiştir. SEL in tüm parametreleri ayrıntılı olarak Çizelge 4.27 de verilmiştir. 88

101 Şekil 4.38 THM 130 MeV Osilatör SEL akısının ve 5. harmoniklerin enerjisine bağlı değişimi Çizelge 4.27 THM 130 MeV Osilatör SEL parametreleri Işınımın dalgaboyu, λ SEL (nm) Işınımın enerjisi (ev) 4.4 Işınımın doyum parlaklığı (foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 6.3x10 31 Işınımın pik parlaklığı (foton/s/mm 2 /mrad 2 /0.1%bg) 2x10 30 Kavite içi doyum güç yoğunluğu, I s, (W/cm 2 ) 2x10 10 Akı (foton/s/%0.1bg) 2.7x10 14 Lazer pik gücü (MW) 31 Tek geçişteki kazanç, G (%) 6300/21 Kazanç parametresi, g 0 710/ MeV THM osilator SEL optimizasyonu yapılırken; MeV arasında 5 farklı elektron demet enerjisi ile µm dalga boylarında osilatör modda serbest elektron lazeri elde eden ifel laboratuvarının elektron demeti, salındırıcı ve SEL parametreleri kullanılarak Mathematica 5.0 yazılım programında hazırlanan program test edilmiştir (Şekil 4.39). 89

102 Şekil 4.39 ifel in (Osaka, Japonya) şematik gösterimi SEL teknolojisi, RF tabanca, fotokatot ve diğer teknolojik donanımlar ifel laboratuvarında çalışılan önemli konulardır. Oluşturulan lazer demetleri diyagnostik süreci ve kullanım için 4 farklı deney istasyonuna gönderilmektedir. ifel de elde edilen lazerler, bilgi, iletişim ve malzeme mühendisliği, yarı iletken aygıt fiziği, karakterizasyonu ve analizi, foton işleme süreçleri ve yüksek parlaklıklı gamma demetleri eldesinde kullanılmaktdır. Laboratuvardaki çalışmaların foto-kimyasal, foto- 90

103 termal ve foto-mekaniksel etkileşmelere dayanan biyomedikal alanlar için ileri foton kullanımları için yeni bir çığır açacağına inanılmaktadır ve çalışmalar bu alana yoğunlaştırılmıştır. Dünyada osilatör modda çalışan bir aboratuvar olması açısından ifel in hızlandırıcı, salındırıcı SEL ve optik kavite parametreleri THM SEL ile birlikte Çizelge 4.28 de verilmiştir. Çizelge 4.28 THM osilatör SEL ve ifel laboratuvarının bazı parametreleri Parametre TAC VUV ifel VUV ElektronDemet Enerjisi (MeV) Pik Akım (A) Enerji Yayılımı (%) Toplam Undulatör Uzunluğu (m) Optik Kavite Uzunluğu, L c (m) Işınımın Dalgaboyu, λ r (microns) Undulator Periyodu, λ u (cm) 3 4 Undulator Kuvvet Parametresi, K Undulator Kutup Sayısı, N Maksimum Alan Şiddeti, B 0 (T) Undulatör Aralığı (mm), g

104 4.2 SEL in Uygulama Alanları SASE SEL in uygulama alanları Atom, molekül ve yığın (cluster) fiziği Şiddetli ve kısa dalgaboylu ışınım, optik lazerlerin ışığından oldukça farklı bir biçimde madde ile etkileşir. Bu durum, gelen ışınımın frekansı ω -2 ile orantılı büyük bir enerji farkının göstergesidir. X-ışını iç kabuktaki elektronların uyarılmasına veya iyonlaşmasına neden olur. Araştırmaların özellikle iki alanı: farklı x-ışını dalgaboylarında ve güç yoğunluklarında ışınlanan atomik, moleküler ve yığın hedeflerin elektron dinamiğinin (yani çoklu foton oluşum süreçleri veya çoklu çekirdek-boşluk oluşumu) çalışılması ve şiddetli femtosaniyelik x-ışını atmalarının kırınımı ile moleküllerin, yığınların yapı ve dinamiklerinin araştırılması açısından önemli bir rol oynamaktadır. İdealde, tek bir x-ışını atması kırınım deseninin kaydedilmesi için yeterlidir (Şekil 4.40). Şekil 4.40 X-ışını atması kullanılarak bir molekülün veya yığının kırınım deseninin elde edilmesi Hacimli malzemelerdeki ışınım hasarlarının çalışılmasında bir genelleme yapılabilmesi için yığınlar ile çalışmak özellikle önemlidir. X-SEL yığın atomlarının çoklu uyarılma 92

105 olasılığının çok yüksek oranda sağlayacağı için yığın araştırmalarında eşsiz bir araç olacaktır. Bu alana yönelik olarak TTF (DESY) de 98 nm dalgaboyunda, 100 fs lik ve 7*10 13 W/cm 2 güç yoğunluğunda VUV-SEL ışınımını kullanılarak Xe atomlarının ve yığınlarının iyonlaşması çalışılmıştır (Şekil 4.41). Şekil 4.41 Xe atomları ve yığınların ortalama güç yoğunluğu 2*10 13 W/cm 2, dalgaboyu 98 nm olan SEL ışınımı ile ışınlandıktan sonra iyonlaşmış ürünlerinin zaman bağımlı spekturumu, burada N yığındaki ortalama atom sayısıdır Optiksel femto saniye (fs)-lazerler ile yığınların uyarılması ve ısıtılması işlemleri elektromagnetik lazer alanı sürümlü bir mikroplazmadaki elektronların hareketi ile kontrol edilmektedir. X-ışını dalgaboylarında, ponderomotive enerji küçük ve böylece titreşen elektronların genliği de küçük olacaktır. Sonuç olarak yığından yayılan elektronların kinetik enerji dağılımı; fotoyayınım ve Auger bozunumu gibi birincil işlem süreçlerini ve yığındaki elektron-elektron ve elektron-iyon etkileşimini içerecektir. Bu yüzden dinamiksel işlemler lazer alanı ile güçlü bir pertürbasyon olmaksızın analiz edilebilir. Bu durum Şekil 4.42 de gösterilmektedir. 93

106 Şekil 4.42 Odaklanmış X-SEL ışınımının kullanımı ile yığındaki dinamiksel işlemlerin gözlenmesi X-SEL ışınımından sonraki bozunum işlemlerinin ve atomik çekirdek-boşluk oluşumunun ayrıntılı olarak anlaşılması, genelde SEL ışınımı ile yapılan araştırmalarda büyük öneme sahiptir. Çünkü sadece örnekler değil, tüm optiksel ve demet yönlendirme elemanları şiddetli X-SEL ve atomlar veya iyonlar arasındaki bu temel etkileşim ile test edilecektir. Buna ek olarak, lineer olmayan ve çoklu foton oluşum süreçlerinin araştırılması, lineer olmayan oluşum süreçlerini esas alan optiksel elemanların planlanmasının sağlanmasında kısa dalgaboylu ışınımlar için yeni deneysel tekniklerin geliştirilmesi çok uygun olacaktır. X-SEL in zamansal yapısı optiksel fs-lazerlerin kullanıldığı pump-probe teknikleri ile saçılma deneylerinin tüm çeşitlerinin yapılmasını mümkün kılacaktır (Şekil 4.43). Böyle bir ölçümün yapılmasında kullanılan deneysel düzenek Şekil 4.44 de gösterilmektedir. 94

107 Şekil 4.43 Faz geçişi ve yığın erimesi üzerine yapılan zaman çözümlü deneyin şematik gösterimi Şekil 4.44 Yığın ve yığın iyonlarının elektronik ve geometrik yapıları ve lineer olmayan işlemlerin araştırılması için kullanılan deney kurulumunun şematik gösterimi 95

108 Plazma fiziği X-FEL ışınımın kullanımı yaklaşık katı hal yoğunluğundaki plazmaların araştırılmasını sağlayacaktır. Şimdiye kadar katıhal yoğunluğuna yakın plazmaların araştırılması görünür lazer ışığının düşük etki derinliğinden dolayı engellenmiştir. X-SEL ışınımı reel zamanda plazmaların hidrodinamik gelişiminin takibi için gerekli zaman yapısını sağlar ve onun şiddeti, zaman çözümlü durumlarda çeşitli plazma parametrelerinin elde edilebilmesi için spektroskopik bilgiyi verir. SEL kaynaklarında plazmalar üzerine araştırma yapmak için x-ışınlarının kullanıldığı deneysel tekniklerin ve x-ışını probe (inceleme) demetleri için yardımcı aletlerin geliştirilmesi gerekmektedir. Odaklanmış X-SEL atmaları 10 6 K (100 ev) üzerinde sıcaklıkta ve yaklaşık 1 Gbar basınçta katı yoğunluklu plazma üretmektedir Yoğun madde fiziği Yoğun maddenin araştırılması için deneysel teknikler çok yüksek bir olgunluk derecesine ulaşmıştır. Bugün bazı kompleks olaylar, örneğin magnetizma, faz geçişlerinin yoğunluğunda yapısal düzenlemeler ve toplu uyarılmalar sinkrotron ışınımı kullanılarak başarılı şekilde çalışılmaktadır. Fakat bu çalışmalar genelde sistemin taban düzey özellikleri ile sınırlandırılmaktadır. X-SEL in kullanımı hem hacimsel hem de yüzeysel olarak düzensiz sistemlerin dinamik özelliklerinin incelenmesine olanak sağlıyor. X-SEL ışınımı kullanılarak aşırı hızlı işlem süreçlerinin çalışılması, yani magnetik özellikler veya faz geçişlerinin araştırılması, yüksek teknoloji açısından önemli olduğu kadar temel bilim alanındaki işlem süreçlerine de yeni anlayış getirmektedir. 96

109 Yoğun maddenin termal olmayan erimesinin araştırılması son yıllarda belirli bir pay almaktadır. Lazer plazma kaynaklarından x-ışınının kullanıldığı pek çok deney yapılmıştır Malzeme bilimi Madde biliminin pek çok alanında X-SEL ışınımı uygulamalarından yararlanılır. X-SEL ışınımı polimerlerdeki faz oluşumunun, yeniden yönelimin, kristalleşmenin, çekirdekleşme veya difüzyon gibi önemli işlem süreclerinin araştırılmasına olanak sağlamaktadır. Bugün nanospektroskopi ile mümkün olmayan nanomaddelerden bilgi almak mümkün olmaktadır. Sert maddelerin araştırılmasında çok kısa X-ışını atmalarının kullanılması, metallerin alaşımların ve seramiklerin yapısal ve dinamik özelliklerinin araştırılmasına olanak sağlamaktadır Kimya Kimyasal reaksiyonlar veya uygun değişimler gibi çok hızlı gelişen süreçlerinin zaman çözümlemeli araştırılmasında X-SEL ışınımlar çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Kompleks kimyasal reaksiyonların ve çok hızlı zaman diliminde gerçekleşen olayların kararlaştırılabilmesi için 10-3 saniye mertebesindeki çok hızlı zaman ölçeğinde kullanılan deneysel teknikler gereklidir. X-ışınları diğer tekniklerle doğrudan gözlenemeyen üç boyutlu atomik yapıyı çözümlemede belirli bir avantaja sahiptir. Kimyasal reaksiyonlar esnasında meydana gelen yapısal değişimlerin kararlaştırılması yani şekilsiz fazın oluşması veya yeniden düzenlenmesi reaksiyonun analizi açısından önemlidir. X-SEL ışınımının ortalalama şiddetinin yüksek olması, inelastik saçılma metodlarının kullanılması ile düşük Z li maddelerin araştırılması için yeni metodların geliştirirlmesine imkan vermektedir. 97

110 Günümüz X-ışını kaynakları, hem sinkrotron ışınımı hemde lazer tabanlı ışınımlar ile birkaç femtosaniyelik önemli bir zaman dilimindeki pikosaniyelik kimyasal reaksiyonların araştırılması imkansızdır. X-SEL kaynakları ile bu problemi aşmak mümkün olmaktadır SEL- Çekirdek çarpıştırıcıları Son yıllarda nükleer spektroskopik verilerin daha hassas incelenmesi ve özellikle kollektif uyarılmaların analizi açısından geleneksel Nükleer Spektroskopik Floresans (NRF) yöntemlerinde kullanılan foton demetleri yerine Serbest Elektron Lazerlerinin (SEL) kullanımı gündeme gelmiştir. Rölativistik elektron demetlerinden undulator magnet aracılığı ile elde edilecek SEL in hadron hızlandırıcılarında yüksek enerjilere ulaştırılacak tam iyonize çekirdek demetleri ile çarpıştırılmasını öngören SEL-Çekirdek çarpıştırıcıları ile nükleer spektroskopinin mevcut problemlerinin çözüme kavuşturulabileceği HERA, RHIC ve LHC gibi hadron hızlandırıcılarında ele alınan bazı çekirdek örnekleri (Pb, C, Ce, Sm, Ba, Th) için gösterilmiştir (Guliyev et al. 2001, 2002, Koru et al. 3003). SEL in elde edilmesi ile büyük bir teknik gelişme sürecine başlanılmıştır. Bu süreci daha da hızlandıran etken elde edilecek SEL demetlerinin çekirdek çarpıştırıcıları ile birlikte kullanılması olacaktır (Guliyev et al. 2002). Nükleer fizik araştırmalarında çekirdekler daima durgun hedefler olarak kullanılmış ve tüm deneylerde bu çekirdeklerin enerji seviyelerini uyarmak için aynı enerjili fotonlar ya da foton kullanılmayan deneylerde de aynı enerjili parçacıklar kullanılmıştır. Bu yöntem deneysel çalışmalara ekstra yük getirmektedir. Yüksek enerji değerlerindeki enerji seviyelerine uygun enerjili foton ya da parçacık elde etmek oldukça zor olduğu gibi hayli vakit alıcı bir çalışmadır. Son yıllarda önerilmiş SEL Çekirdek çarpıştırıcıları nükleer fizik araştırmalarında yeni imkanlar sağlayacaktır. Bu yöntemde doğrusal elektron hızlandırıcısı bazında üretilen SEL demeti ile hadron halkalarında (RHIC, HERA, LHC) hızlandırılan çekirdek demetlerinin çarpıştırılmaktadır (Aktaş et al. 1999, Ciftci et al. 1999). Elde edilen kev enerjili SEL fotonları çekirdeğin durgun çerçevesinde MeV enerjili lazer demeti olarak 98

111 görülecektir. Böylece çekirdeklerin uyarılmış seviyeleri bugüne kadar ulaşılamamış bir hassasiyetle incelenmesi mümkün olacaktır (Aktaş et al. 1999). SEL demetinin enerjisinin ayarlanabilir olması çok sık olarak yerleşik uyarılma seviyelerinin ve hatta kollektif seviyelerin incelenmesine imkan sağlayacaktır. Bu sayede teorik olarak bulunan fakat deneysel olarak doğrulanamayan enerji seviyelerinin de titiz olarak çalışılması mümkün olacaktır. Lineer elektron hızlandırıcılarına (Linak) dayalı olarak elde edilen Serbest Elektron Lazerinin (SEL) geleneksel foton kaynaklarına göre daha kohorent ve monokromatik olması ve dalga boyunun ayarlanabilir olmasının nükleer spektroskopide geleneksel Nükleer Rezonans Flüoresans (NRF) yöntemlerine göre deneysel olarak yeni olanaklar sağlayacağı öngörülmektedir (Aktaş et al. 1999). Çekirdekler arasındaki etkileşmeler ve çekirdek yapısının belirlenmesinde çekirdeğin manyetik ve elektrik dipol titreşimleri kollektif uyarılmaların araştırılmasında önemli bir rol oynar. NRF deneyleri bu uyarılmaların çalışılmasındaki en etkin metotdur (Kneissl et al. 1976). Fakat çeşitli faktörler mevcut NRF deneylerinde çekirdeklerin yüksek düzeydeki uyarılma seviyelerinin çalışmalarını sınırlandırır. Nükleer Fizik araştırmaları için NRF deneyleri ve bu deneyleri yapmak için ise yeterince monokromatik ışınım kullanmak çok önemlidir (Aktaş et al. 1999). Lineer elektron hızlandırıcılarına dayalı serbest elektron lazerlerinin bu deneylerde kullanılması son yıllarda gündeme taşınmıştır. Bu lazerlerin SEL-Çekirdek çarpıştırıcılarında, hızlandırılmış tam iyonize çekirdek demetleri ile tepkimeye girmesi sonucu çekirdeklerin çalışılan uyarılma seviyeleri daha yüksek istatistikle çalışılabileceği gibi daha önce kullanılan ışınım özelliklerinin gözleme imkanı vermediği diğer uyarılma seviyelerinin de incelenmesi mümkün olacaktır. Ayrıca çekirdek seviyelerinin band genişlikleri, spin ve parite değerleri gibi özelliklerini de inceleme imkanı sağlanmış olacaktır. CLIC sürücü demetinden elde edilecek SEL demeti ile LHC den elde edilecek tam iyonize Pb çekirdeği demetlerinin çarpıştırılarak 99

112 nükleer spektroskopi açısından spin, parite ve bozunum genişliği değerlerinin belirlenebileceği gösterilmiştir (Yavaş et al. 2005a). SEL ışınımının özelliklerini diğer ışınım kaynaklarının özellikleri ile karşılaştıracak olursak; bu güne kadar ışınım kaynağı olarak kullanılan Compton Fotonları spektral şiddet açısından SEL fotonlarından yaklaşık olarak kat daha zayıf şiddete sahipken, polarize Breamsstrahlung ışınımı kat daha zayıftır. Aynı karşılaştırmayı monokromatiklik için yapacak olursak Compton Fotonları %2.7 düzeyinde monokromatikliğe sahipken SEL fotonları % 0.01 monokromatiklikle dikkat çekmektedir. Kutuplanma açışından bir karşılaştırma yapılacak olursa Breamsstrahlung ışınımı %10 30 arasında bir kutuplanmaya sahipken Compton Fotonları ve SEL fotonları % 100 kutuplanma ile birinci sıradadır. Bu karşılaştırmalar göz önüne alınacak olursa SEL fotonlarının deneysel NRF çalışmalardaki başarı oranını çok yükseklere çekebilecektir. Son yıllarda SEL-çekirdek çarpıştırıcılarının nükleer spektroskopi açısından avantajları Sm, Pb, Ce, C, Th gibi çekirdekler için değişik makalelerde yayınlanmıştır (Sultansoy 1998, Aktaş et al. 1999, Guliyev et al. 2001, Guliyev et al. 2002, Koru et al. 2003) Osilatör SEL in uygulama alanları Biyoteknoloji SEL ile tavşanların optik sinir zarlarında, yanında bulunan optik sinir kesilmeden, başarılı kesiler oluşturulabilmiştir. İlk insanlı SEL araştırması bir beyin tümörünün biyopsisi olarak gerçekleştirilmiştir. SEL ile insanlı oküler tedavi, standart tekniklerle karşılaştırıldığında SEL ile optik sinir zarı tedavisi Vanderbilt Üniversitesinde halen kullanılmaktadır (O Shea et al. 2001). 100

113 Lazer teknolojisinin dişçilikteki ilk uygulaması, enfeksiyonlu materyallerin etkilerinin kaldırılması ve kavitelerin hazırlanması olmasına rağmen diş minesinin sertliğini ve aside karşı dayanıklılığını sağlamak için lazer potansiyeline daha fazla odaklanılması gerekliliği ortaya çıkmıştır (Suzuki et al. 2004). Mineral özelliği bozulan diş minesini yeniden mineralize etmek veya dişin taç bölgesini açığa çıkartmak için lazer ışınlaması sırasında yeni bir prosedür geliştirilmiştir. SEL uygulaması da aynı amacı gerçekleştirmek için kullanılmıştır (Satoh et al. 2004) Yarıiletkenler ve kuantum kuyuları SEL, yüksek pik gücü ve kolay ayarlanabilirliği ile yarıiletkenlerde ve kuantum kuyularında özellikle lineer olmayan çalışmalar için uygundur. ps zaman skalasında yapılan pump-probe ölçümleri ile dar (enerji) aralıklı yarı iletkenler üzerindeki koherent geçiş etkilerinin artışının gözlenmesine ve üçüncü mertebe lineer olmayan çalışmalara izin vermektedir (Şekil 4.45). Diğer bir başarısı pump-probe tekniği ile elde edilen iki renkli SEL in kuantum kuyularına optik pompalanması ile yapılan çalışmalardır (Yasumoto et al. 2004) Şekil 4.45 ps zaman skalasında yapılan pump-probe ölçümleri Kuantum kuyularının ikinci harmonik güce azimut bağımlılığı aracılığıyla ikinci harmonik alanlar ve GaAs alt tabakaları arasındaki girişim üzerinde çalışılarak ikinci mertebe lineer olmayan iletim ve değerlik bantlı kuantum kuyularının hassas yapıları ortaya çıkarılmaktadır. Bu, kuantum kuyularındaki herhangi bir orta band kızılötesi farkı frekans oluşumunun ilk göstergesiydi. Ayrıca GaAs-AlGaAs kuantum kuyularında 101

114 üçüncü seviye lineer olmayan katsayıların ve elektron durulma zamanlarının gözlemlenmesinde kullanılmaktadırlar. Daha genişletilmiş çalışmalar arasında moleküler titreşimlerin rezonans uyarılmaları, yarıiletken hetero-eklemlerin bant süreksizlikleri ve izotop ayırımı bulunmaktadır (O Shea et al. 2001) Fotokimya Kimyasal çalışmalar moleküllerdeki titreşimsel enerji transferlerini içermektedir. Bu, moleküler titreşimleri uyaran yüksek güçlü kısa atmalar gerektiren mod-seçici kimya gibi yeni bir dizi deney üzerinde çalışmak için kapılar açmıştır (Örneğin formik asit ve nitromethane ın izotop seçici multifoton ayrışımının gözlemlenmesi gibi.) (Couprie et al. 2000) den bu yana nadir bulunan gaz matrisleri üzerinde çeşitli araştırma projeleri yapılmaktadır. 10 K sıcaklıktaki bir Argon matrisindeki D etan moleküllerinin 2 izometrizasyonunun kinetiği üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Projeler farklı matrislerdeki organik moleküllerin durulma ve ayrışmaları üzerindeki çalışmaları kapsamaktadır. Stanford da yapılan çalışmaların öncülük etmesiyle pump-probe ve foton yansıma deneylerinin yanı sıra değişik ortamlardaki (katı, sıvı) moleküllerin titreşimsel durulmaları üzerinde çalışmak da mümkündür (Couprie et al. 2000) Nanoteknoloji Sum Frequency Generation (SFG) Toplam Frekans Oluşumu yüzeyler üzerindeki ışınımı soğuran türlerin spektroskopisini inceler. SFG ölçümlerindeki ilk deneyler, 5 µm SEL atmaları ve bir eşzamanlı lazer kullanarak metanol içerisindeki platinin (Pt) yüzey ölçümlerini içermektedir. SFG aynı zamanda, poliüretanın yüzer cam üzerine püskürtüldüğünde bıraktığı bağlanma kuvvetinin belirlenmesi ve yoğunluğunun görüntülenmesinde, özel bir karbon bileşimi (fullerene) üzerine altın püskürtüldüğünde meydana getirdiği yüzey etkileşmesinin değişimi ve bir elektrokimyasal arayüzdeki CO nun titreşim dinamiğini karakterize etmede kullanılır (O Shea et al. 2001). 102

115 Pratikte bu teknik, SEL yoğunluğu ve dalga boyu kararlılığı açısından iyi sinyal/gürültü oran spektrumu elde etmek için daha arzu edilen bir kullanıcı deneyidir. Bu sebeple demet yoğunluğu, dalga boyu ve band genişliği gibi parametrelerin gerçek zamanlı olarak görüntülenmesi oldukça önemlidir Elektrokimyada tipik bir sonuç elde edilmiştir. SFG bir çözeltideki bir elektrodun yüzeyinde meydana gelen olayların gözlemlenmesini sağlamaktadır. Elektrokimya ve yüzey biliminde önemli sonuçlar elde edilmiştir (Couprie et al. 2000). 103

116 5. TARTIŞMA VE SONUÇ Bu çalışmada, Türk Hızlandırıcı Merkezi projesi kapsamında planlanan linak-halka tipli elektron-pozitron çarpıştırıcısına dayanan phi ( φ ) ve charm (c) fabrikalarının lineer elektron hızlandırıcılarından elde edilen sırasıyla 130 ve 1000 MeV enerjili elektron demetlerinden SASE ve osilatör modda SEL elde edilmesi için parametre optimizasyonu yapılmış, elde edilen SEL in özellikleri belirlenerek bu ışınımın kullanılabileceği genel uygulama alanları incelenmiştir. Parçacık hızlandırıcıları 20.Yüzyılda (özellikle 2.Dünya Savaşı döneminden başlayarak) gelişen ileri teknoloji alanlarından biri olmakla birlikte, 21.Yüzyılın jenerik teknolojileri arasında önemli bir yer almaktadır. Bugün parçacık hızlandırıcıları temel parçacık fiziği, nükleer fizik, katı hal fiziği, tıp, kimya, biyoloji, jeoloji, malzeme bilimi, metalürji, mikro-elektronik, ziraat, gıda sterilizasyonu, radyoizotop üretimi, termonükleer sentez, nükleer atıkların imhası ve benzeri alanlarda geniş şekilde kullanılmaktadır. Ülkemizde medikal amaçlı kullanılan linaklar ve son dönemde alınmış baby siklotronlar dışında Ar-Ge veya temel araştırma amaçlı kullanılan parçacık hızlandırıcısı mevcut değildir. Ülkemizde parçacık hızlandırıcılarına dayalı temel ve uygulamalı araştırmaların yapılabileceği bir ulusal hızlandırıcı merkezinin olmayışı, bir başka deyişle, 300 ün üzerinde uygulaması olan bu aygıtlardan gereği gibi yararlanılamaması, bilim ve teknoloji açısından gelişmiş ülkeler arasında yer alma idealinden uzaklaşmak anlamını taşımaktadır. Ülkemizin hızlandırıcı teknolojileri ile tanışmasını sağlayacak, temel ve uygulamalı araştırmaların parçacık demetleri ve ışınımlar kullanılarak yapılabileceği, ülkemizdeki araştırıcı ve bilim adamlarının hepsine açık ulusal bir hızlandırıcı laboratuvar kompleksinin Türk Hızlandırıcı Merkezi oluşturulması, büyük bir eksikliği gidereceği gibi ülkemiz bilim ve teknolojisi açısından bir dönüm noktası olacaktır (Yavaş 2006). Günümüzde özellikle jenerik sayılan nanoteknoloji, biyoteknoloji, malzeme bilimi, nöroteknoloji, uzay ve savunma teknolojileri v.b. alanlarda bilgi ve teknoloji üretimi 104

117 için modern araçlar geliştirilmektedir. Bu araçlardan en önemlileri ise parçacık hızlandırıcılarına dayalı ışınım kaynaklarıdır. Özellikle kutuplanma oranı, koherentliği, monokromatikliği, dalga boyu ayarlanabilirliği gibi üstünlükleri serbest elektron lazerlerini (SEL) temel ve uygulamalı araştırmalarda son 15 yılda çok öne çıkarmıştır. Serbest elektron lazerleri Türk Hızlandırıcı Merkezi nin de çok önemli bir parçası olarak düşünülmektedir. Çalışmada SASE SEL optimizasyonu için Mathematica da yazılan program ile internet ortamından indirilebilen Perseo FELCAD ve SIMPLEX programları kullanılarak TTF SEL in faz I ve II. aşamalarının elektron demeti, salındırıcı ve SEL parametreleri hesaplanmış literatür uyumluluğunun sağlandığı görüldükten sonra THM SASE SEL in 130, 1000, 1420 ve 2100 MeV lik Linak ından elde edilecek SEL in parametreleri optimize edilerek SEL üretimi için uygun linak parametreleri belirlenmiştir. Söz konusu enerjiler için linak parametreleri bulgular kısmında sunulan tasarım ile elde edilecek ışınımların pik güçleri sırasıyla 0.01, 2.1, 3.6 ve 6.0 GW ve pik aydınlık değerleri sırasıyla 5.7x10 25, 2.9x10 30, 1.2x10 31 ve 6.2x10 31 olup 4. nesil ışınım kaynaklarının tipik özelliklerini taşımaktadır. Elde edilen SEL lerin pik parlaklık değerleri günümüz sinkrotron ışınımı kaynaklarına göre kat daha fazla elde edilmiştir. SEL lerin diğer önemli özelliklerinden biri olan ayarlanabilir dalgaboyu özelliliği THM 1 GeV için salındırıcı gap aralığı cm aralığında değiştirilerek SEL dalgaboyunun Angstrom aralığında değiştirilebileceği bulgular kısmında gösterilmiş ve SASE SEL optimizasyonu ile ilgili tüm sonuçlar yayınlanmıştır (Yavaş and Yiğit 2007). THM projesi kapsamında çarpıştırıcı modu için planlanmış olan elektron demet parametreleri ile SASE SEL üretiminin mümkün olmayacağı bulgular kısmında verilmiştir. SASE SEL için salındırcı doyum uzunluğunun yaklaşık GW mertebesinde pik gücü ile elde edilebilmesi için ka mertebesinde pik akımı gereklidir. Pik akımını yükseltmeye yönelik olarak elektron demet parametrelerinden paketçik boyutları ve emittansta yapılan değişimler SASE SEL için linak tasarımının çarpıştırıcıda kullanılacak olandan ayrı olarak yapılması gerektiği ortaya konulmuştur. 105

118 Çarpıştırıcı modu dikkate alınarak yapılan linak optimizasyonu için parametreler bir doktora tezi kapsamında ayrıca araştırılmıştır (Recepoğlu 2005). SASE SEL optimizasyonundaki hesaplamalar ve çizimler Mathematica, Perseo FEL CAD ve SIMPLEX programları ile yapılmış ve sonuçlar yayınlanmıştır (Yavaş and Yiğit 2006, 2007). SASE SEL in demet yapısının, koherentliğinin, akısının ve kutuplanabilirliğinin Nükleer Spektroskopide sağlayacağı avantajlar dikkate alınarak CERN CLIC Sürücü Demetine dayalı olarak elde edilecek SASE SEL in optimizasyonu yapılmış ve CLIC- LHC ye dayalı kurulabilecek olası bir SEL-Çekirdek çarpıştırıcısında foton kaynağı olarak kullanılmasının gerek geleneksel foton kaynaklarına sağlayacağı üstünlükler gerekse nükleer spektroskopi açısından sağlayacağı deneysel üstünlükler (olay sayıları, kolektif uyarılmaları tarama hassasiyeti, spin ve parite belirlenmesi v.b.) LHC de hızlandırılacak Pb (kurşun) demeti dikkate alınarak incelenmiş ve sonuçlar yayınlanmıştır (Yavaş et al. 2005a). Çalışmada THM SEL in osilatör modda optimizasyonu yapılırken ayna teknolojisinin getirdiği sınırlamalar dikkate alınarak sadece 130 MeV linak parametreleri için optimizasyon yapılarak nm arasında SEL ışınmı elde edilebileceği bulgular kısmında gösterilmiştir. SEL in uygulama alanları hem osilatör SEL hem de SASE SEL için dünyada çalışan SEL laboratuvarları örnek alınarak incelenmiştir. Ancak THM SASE SEL in uygulama alanları, THM projesi kapsamında kurulacak IR-SEL laboratuvarı üretime geçtikten sonra ülkemizin bilimsel araştırma ve geliştirme (Ar-Ge) ihtiyaçları göz önüne alınarak belirlenebilecektir. Bu tez çalışmasında yapılan SASE SEL optimizasyonu sonucu elde edilen UV ve X- ışını bölgesine düşen SEL ler, kızılötesi bölgeyi kapsayacak ve kurulumu yakında başlatılacak THM IR SEL ile birlikte düşünüldüğünde THM projesinin hızlandırıcılara dayalı ışınım kaynakları açısından spektrumun büyük bir bölgesini kapsayacak şekilde 106

119 planlandığını anlayabiliriz. Bu ışınım kaynağı laboratuvarlarının 2010 lu yıllarda devreye girmesiyle ülkemizde yapılan temel ve uygulamalı araştırmaların düzeyi ve kalitesi dünya ile boy ölçüşür hale gelecektir. Bu tür olanakları bünyesinde bulunduracak bir Ulusal Hızlandırıcı Merkezinin 2010 lu yıllarda kurulması ve geliştirilmesi Cumhuriyetimizin 100. yılında ülkemizin bilim ve teknolojisinde ulaşılacak yüksek ve rekabetçi düzeyin yakalanması anlamına gelecek ve ülkemizin saygınlığına ve refahına doğrudan katkı yapacaktır. 107

120 KAYNAKLAR Aberg, T. and Lando, K. (Ed.) A VUV free electron laser at the TESLA Test Facility at DESY, Conceptual Design Report, TESLA-FEL 95-03, Hamburg, Germany. Aktaş, H., Büget, N., Çiftçi, A.K., Meriç, N., Sultansoy, S. and Yavaş, Ö New tool for Old nuclear physics: FEL gamma-nucleus colliders. Nuclear Instruments and Methods in physics Rasearch A 428, Amaldi, U The Importance of Particle Accelerators. Proc. of the Seventh European Particle Accelerator Conference, EPAC 2000, Austria Center, Vienna, 3-7. Audebert, P. and Brinkmann R. (Ed.) TESLA XFEL Technical Design Report Supplement, TESLA FEL , Hamburg, Germany. Bakker, R.J., van der Geer C.A.J., Jaroszynski, D.A., van der Meer, A.F.G., Oepts, D. and van Amersfoort P.W Broadband tunability of a far-infrared free electron laser. J.Appl.Phys. 74(3) Bizzarri, U., Ciocci, F., Dattoli, G., De Angelis, A., Fiorentino, E,. Gallerano, G. P., Letardi, T., Marino, A., Messina, G., Renieri, A., Sabia, E. and Vignati, A The free-electron laser: status and perspectives. Rivista Del Nuove Cimento, Vol. 10, No. 5. Bonifacio, R., Pellegrini, C. and Narducci, L.M Collective instabilities and highgain regime in a free electron laser. Opt. Com., 50, 6, Brefeld, W., Faatz, B., Nikitina, Y. M., Pflüger, J., Pierini, P., Rosbach, J., Saldin, E. L., Schneidmiller, E. A. and Yurkov, M. V Parameter study on phase I of the VUV FEL at the TESLA test facility. Nucl. Instrum. and Meth. A, 393, Brown, G., Halbach, K., Haris J. and Winick, H Wiggler and undulator magnetsa review, Nuclear Instruments & Methods, 208, Chesworth, A. A A feasibility study for placing an infrared free-electron laser on DIAMOND. Chiadroni, E Bunch length characterization at the TTF VUV-FEL. Doctoral Thesis, Università degli Studi di Roma Tor Vergata, TESLA-FEL ontent1817/fel pdf Çiftçi, A.K., Sultansoy S., and Yavaş, O FELγ-nucleus collider for nuclear physics research, free electron lasers 1999, F. Feldhaus and H. Weise (Eds.) 2000 Elsevier Science B.V. II

121 Çiftçi, A. K., Sultansoy, S., Yavaş, Ö. and Yılmaz, M TAC proposal for fundamental and applied research. Proc. 1st Euroasia Conf. on Nuclear Science and its Applications, Çiftçi, A. K Türk hızladırıcı kompleksi önerisi. I. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Uygulamaları Kongresi (UPHUK I), TAEK, Ankara. Web Sitesi: Erişim Tarihi: Ciocci, F., Dattoli, G., Torre, A. and Renieri, A Insertion devices for synchrotron radiation ad free electron laser. Uto-Print, 358, Singapore. Cohen, M., Eichenbaum, A., Arbel, M., Ben-Haim, D., Kleinman, H., Draznin, M., Kugel, A., Yakover, I. M. and Gover, A Masing and single mode locking in a free electron maser employing prebunched electron beam. Phys. Rev. Lett., 74, Colson, W. B Theory of a free electron laser. Phys. Lett., 59A, (3), 187. Colson, W. B. and Elleaume, P Electron dynamics in free electron laser resonator modes. Appl. Phys. B 29, Colson, W. B Short-wavelength free-electron lasers in Nucl. Instrum. and Meth. A, 407, Colson, W. B., Blau, J. and Kampouridis, A Free electron laser in Proceedings of FEL, BESSY, Berlin, Germany. Corsini, R. and Hoffmann, A Considerations on a FEL based on LEP superconducting cavities EPAC 96, CERN/PS (LP) Couprie, M.E. and Ortega, J.M Free-electron lasers sources for scientific applications. Analusis Dattoli, G. and Renieri, A Experimental and theoretical aspects of the freeelectron laser in laser handbook edited by M. L. Stitch and M. Bass, Elsevier Science. Dattoli, G. and Torre, A Free electron laser theory. CERN Dattoli, G., Renieri, A. and Torre, A Lectures on the free electron laser theory and related topics. World Scientific ISBN , 637, Singapore. Gaupp, A Free electron laser. Proceedings of the CERN accelerator school: 5th advanced accelerator physics course, proceedings, v 2, Hartmann, U., Bohle, D., Humbert, F. and Richter, A Electroexcitation of the M1 scissors mode in 154 Gd and the systematics of the M1 strength distributions in 154,156,158,160 Gd. Nuclear Physics A, 499(1),

122 Emma, P Accelerator physics challange of x-ray FEL SASE sources. Proc. of EPAC, Paris. p. 49. Faatz, B. and Reiche, S Influence of electron beam halos on the FEL performance. Nucl. Instrum. and Meth. A, 429, Friedrichs, H., Schlitt, B., Margraf, J., Lindenstruth, S., Wesselborg, C., Heil, R. D., Pitz, H. H., Kneissl, U., von Brentano, P., Herzberg, R. D., Zilges, A., Häger, D., Müller, G. and Schumacher, M Evidence for enhanced electric dipole excitations in deformed rare earth nuclei near 2.5 MeV. Phys. Rev. C 45, Guliyev, E., von Neumann-Cosel, P., Kuliev, A. and Yavaş, Ö Magnetic dipole strength distribution and photon interaction cross sections in 140 Ce. Nuclear Physics A, 690, Guliyev, E., Kuliev, A.A., Sultansoy, S. and Yavaş, Ö Collective excitations of 154 Sm Nucleus at FEL gamma-lhc collider. Int. J. of Mod. Phys. E 11, HeatWave Labs, Inc. Web sitesi. Erişim Tarihi: Karslı, Ö., Mete, Ö. and Yavaş, Ö TAC test laboratuvarı olarak kızılötesi serbest elektron lazeri. 23. Ulusal Fizik Kongresi (TFD23) Eylül 2005, Muğla Üniversitesi, MUĞLA. Karslı, Ö Hızlandırıcılara dayalı kızıl ötesi serbest elektron lazeri (IR-FEL) optimizsazyonu. Yüksek lisans tezi, Ankara Üniversitesi, 99s, Ankara. Kneissl, U., Pitz, H. H. and Zilges, A Investigation of nuclear structure by resonance fluorescence scatterig. Prog. Part. Nucl. Phys. 37, Koru, H., Özcan, A., Sultansoy, S. and Yavaş, Ö Physics potential of the e-rhic based FEL-nucleus collider. Int. J. of Mod. Phys. E 12, Luca GIANNESSI. Web sitesi. Erişim Tarihi: Mete, Ö., Karslı, Ö. and Yavaş, Ö An optimization study for an FEL oscillator as TAC test facility. European Particle Accelerator Conference 2006 (EPAC 06). Mete, Ö Hızlandırıcıara dayalı ışınım kaynaklarının fiziksel karakteristikleri. Yüksek lisans tezi, Ankara, Üniveristesi, 136s, Ankara. O Shea, P.G. and Freund, H.P Free-Electron Lasers: Status and Applications.Science. Vol.(292): TAC Proje Grubu. Web sitesi. Erişim Tarihi

123 Papadicev, V.A Polarization in free electron lasers. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A Pellegrini, C., Rosenzweig, J., Travish, G., Bane, K., Boyce, R., Loew, G., Morton, P., Nuhn, H.-D., Paterson, J., Pianetta, P., Raubenheimer, T., Seman, J., Tatchyn, R., Vylet, V., Winick, H., Halbach, K., Kim, K.-J., Xie, M., Prosnitz, D., Scharlemann, E.T., Bonifacio, R., De Salvo, L. and Pierini, P The SLAC soft X-ray high power FEL. Nucl. Instrum. and Meth. A, 341, Pellegrini, C Design considerations for a SASE x-ray FEL. Nucl. Instrum. and Meth. A, 475, Pflüger, J Undulators for SASE FELs. Nucl. Instrum. and Meth. A, 445, Palumbo, L Design study of a soft x-ray SASE-FEL source. SPARX Collaboration, Proc. of EPAC 2002, Paris Recepoğlu, E Linak-Halka Tipli Çarpıştırıcılarda Demet Kararlılığı. Doktora tezi, Ankara, Üniveristesi, 82s, Ankara. Reciche, S. and Schlarb, H Simulation of time-dependent energy modulation by wake fields and its impact on gain in the VUV free electron laser of the TESLA Test Facility. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 445, Rossbach, J A VUV free electron laser at the TESLA test facility at DESY. Nucl. Instrum. and Meth. A, 375, Saldin, E.L Status Report on a VUV Free Electron Laser at the TESLA Test Facility at DESY. Proceedıngs of the XV Conference on Charged Particles Accelerators, State Research Center of Russia, Institute for High Energy Physics, Protvino, October 22-24, Saldin, E.L., Scheidler, E.A. and Yurkov, M.V The physics of free electron lasers. Springer, 464p, Berlin. Satoh, S., Danjyo, A., Goto, M., Yamaguchi, Y., Yamabe, C., Hayashi, N., Ihara, S. and Guan W Modification of Hydroxyapatite Crystal Using IR Laser. Proceedings of the 2004 FEL Conference, Sultansoy, S Four ways to TeV scale. Turk. J. Phys., 22(7), Sultansoy, S Parçacık Hızlandırıcıları: Dün, Bugün,Yarın. I. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Uygulamaları Kongresi (UPHUK I), Ankara. 111

124 Suzuki, S.Y., Kanai, T., Ishii, K., Naito, Y. and Awazu, K Picked FEL Micropuls For Nano-Second Interaction with Bio-molecule. Proceedings of the FEL Conference, Takashi Tanaka. Web sitesi. Erişim tarihi: Turner, S Synchrotron radiation and free electron lasers. CERN European Organization For Nuclear Research, CAS CERN Accelerator School, CERN Geneva, ISBN , UK,482. Xie, M Design optimization for an x-ray free electron laser driven by SLAC linac. Proceedings of 1995 Particle Accelerator Conference, Dallas, IEEE, Xie, M Exact and variational solutions of 3D eigenmodes in high gain FELs. Nucl. Instrum. and Meth. A, 445, Wenlong, S SASE X-Ray free electron laser in DESY: The 4th generation light source. Journal of the GCPD e.v Wille, K. and Mcfaal, J The physics of particle accelerators. Oxford University Press ISBN , USA, 315. Winick, H Synchrotron radiation sources. World Scientific, 493p, USA. Winick, H Fourth Generation Light Sources. IEEE, 37-41, USA Yasumoto, M., Ogawa, H., Sei, N. and Yamada, K Photo-Acustic Spectroscopy with Infrared FEL. Proceedings of the FEL Conference, Yavaş, Ö., Çiftçi, A. K., Yılmaz, M., Recepoğlu, E. ve Sultansoy, S Parçacık hızlandırıcıları: Türkiye de neler yapılmalı DPT1997K No lu Proje Sonuç Raporu, Erişim tarihi: Yavaş, Ö. 2001a. 4. Nesil ışınım kaynağı olarak serbest elektron lazerleri. I. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Uygulamaları Kongresi, Ekim 2001, TAEK, ANKARA, Erişim tarihi: Yavaş, Ö. 2001b. Turkic Accelerator Center (TAC) Proposal. First Helenic-Turkish International Physics Conference September 2001, Bodrum, TURKEY, Kos-GREECE Book of Abstracts: p.131. Yavaş, Ö Türk Hızlandırıcı Kompleksi Projesi. II. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Uygulamaları Kongresi 9-11 Haziran 2004, ATO, ANKARA, Erişim tarihi:

125 Yavaş, Ö., Corsini, R., Yigit, S. and Ozcan, A CLIC-LHC based FEL-nucleus collider, Proc. of Mini-Workshop on Machine and Physics Aspects of CLIC based future Collider Options, p , Ed. F. Tecker, CLIC Note 613, CERN-OPEN , Yavaş, Ö., Corsini, R., Braun, H., Sultansoy, S., Guliyev, E., Yiğit, Ş. and Özcan, A. 2005a. CLIC-LHC based FEL-nucleus collider: feasibility and physics search potential. Nucl. Instrum. and Meth. A, 552, Yavaş, Ö., Yiğit, Ş., Özcan, A. ve Mete, Ö. 2005b. CLIC ve LHC hızlandırıcılarına dayalı SEL-çekirdek çarpıştırıcısı. IX. Ulusal Nükleer Bilimler ve Teknolojileri Kongresi, Eylül 2005, Ege Üniversitesi, İZMİR. Yavaş, Ö Sinkrotron ışınımı ve serbest elektron lazeri üretimi ve kullanımı için genel tasarım. Türk Hızlandırıcı Merkezi Projesi İçerik Tasarımı DPT2003K No lu Proje Sonuç Raporu, s131, Ankara. Yavaş, Ö. and Yiğit, Ş A parameter optimization for a national SASE FEL facility. VI. Balkan International Physics Conference of Balkan Physical Union (BPU6), August 2006, İstanbul, TURKEY. American Institute of Physics Conference Proceedings Volume 899 p , Yavaş, Ö. and Yiğit, Ş Conceptual design of a SASE FEL facility as a part of Turkish Accelerator Center Project. Balkan Physics Letter 14(1) p Yoon, M., Han, J.E. and Kim, E.-S Optimization of Soft X-Ray SASE-FEL Parameters at Pohang Accelerator Laboratory. Proceedings of FEL Confrence, Yurkov, M.V Statistical properties of SASE FEL radiation: experimental results from the VUV FEL at the TESLA test facility at DESY. Nucl. Instrum. and Meth. A, 483, th Generation Light Source. Web sitesi Erişim tarihi

126 EKLER EK 1 Dünyada Mevcut SEL Laboratuvarları EK 2 Proje Aşamasındaki SEL Laboaratuvarları (Colson et al. 2006, Yavaş 2006) EK 3 Dünyada Mevcut SEL Laboratuvarları için Kaynaklar ve Web Siteleri EK 4 Dünyada Proje Aşamasındaki SEL Laboratuvarları için Kaynaklar ve Web Siteleri EK 5 Perseo FELCAD SASE SEL Simülasyon Programınında Kullanılan Fonksiyonlar ve Giriş Parametreleri EK 6 SIMPLEX Simülasyon Programınında Kullanılan Fonksiyonlar ve Giriş Parametreleri 114

127 EK 1 Dünyada Mevcut SEL Laboratuvarları Çizelge sütünlarında sırasıyla SEL dalgaboyu, elektron paketçik uzunluğu, elektron demet enerjisi ve pik akımı, salındırıcı periyodu, salındırıcı uzunluğu, salındırıcı parametresi ve son sütünde hızlandırıcı tipi ile SEL tipini (RF: RF lineer hızlandırıcı, MA: mikrotron hızlandırıcı, SR: depolama halkası, EA: elektrostatik hızlandırıcı, A: yükselteç SEL, O: osilatör SEL S: SASE SEL, H: yüksek kazanç yüksek harmanik HGHG SEL) belirleyen değerler verilmiştir (Colson et al. 2006). 115

128 EK 2 Proje Aşamasındaki SEL Laboaratuvarları (Colson et al. 2006, Yavaş 2006) PROPOSED FELs λ (µm) σ z (ps) E (MeV) I (A) N λ u (cm) K Tokyo (FIR-FEL) RF,O Netherlands RF,O (TEUFEL) Romania (NILPRP) RF,O Dresden (ELBE) RF,O Novosibirsk (RTM1) x RF,O Daresbury (4GLS RF,O IRFEL) Novosibirsk (RTM) x RF,O Frascati (SPARC) x RF,S Hawaii (FEL) RF,O Jlab (UV FEL) RF,O Harima (SUBARU) ,65 16,32 8 SR,O Shanghai (SDUV RF,O FEL) Daresbury (4GLS RF,O VUV) Daresbury (4GLS RF,S XUV) Frascati (COSA) RF,O DESY (FLASH) RF,S Italy (SPARX) RF,S BESSY (Soft X-ray) RF,S Trieste (FERMI) RF,S 2500 Pohang (PAL X-FEL) RF,S MIT (Bates X-Ray RF,S FEL) SLAC (LCLS) RF,S DESY (XFEL) RF,S RIKEN (SPring RF,S SCSS) TAC IR FEL RF,O TAC SASE FEL RF,S 116

129 EK 3 Dünyada Mevcut SEL Laboratuvarları için Kaynaklar ve Web Siteleri 117

130 EK 4 Dünyada Proje Aşamasındaki SEL Laboratuvarları için Kaynaklar ve Web Siteleri 118

131 EK 5 Perseo FELCAD SASE SEL Simülasyon Programınında Kullanılan Fonksiyonlar ve Giriş Parametreleri 119

132 120

133 121

134 Giriş Parametreleri 122

135 EK 6 SIMPLEX Simülasyon Programınında Kullanılan Fonksiyonlar ve Giriş Parametreleri SIMPLEX programındaki fonksiyonlar: Time-indpenedent simulation with seeding Time-dependent simulation with shot noise Loading the undulator-field distribution data Loading the bunch profile of the electron beam Wakefield calculation and implementation Calculation of lattice functions Various error manipulation (trajectory, phase slippage, etc.) post-processing for graphical output including animatoin Giriş parametrelerinin verildiği ve SEL parametrelerinin hesaplandığı ekran 123