Demet Özellikleri Temel Ölçümleri ve Aletlendirme

Transkript

1 Demet Özellikleri Temel Ölçümleri ve Aletlendirme İçerik ve kapsam: 1. Giriş 2. Demet akımı (şiddeti) ölçümleri a) Faraday kabı b) AC akım dönüştürücüsü c) DC akım dönüştürücüsü 3. Demet kesiti ölçümleri a) Ekranlar b) İkincil elektron yayım ızgarası (SEM - Secondary electron emission grid) c) Tel tarayıcılar (wire scanner) 4. Yayınım ölçümleri a) Yarıklı ızgara taraması (wire grid scanning) b) Tuzluk kapağı (pepperpot) 5. Boyuna demet konum ölçümleri (Beam position monitor) Türk Fizik Derneği 9. Uluslararası Katılımlı Parçacık Hızlandırıcıları ve Detektörleri Yaz Okulu (Turkish Physical Society 9th International Summer School on Particle Accelerators and Detectors), Eylül 2013 / Bodrum Belediyesi Nurol Kültür Merkezi / Bodrum Dr. Ali ALAÇAKIR

2 1. Giriş Bir hızlandırıcı çalıştırıyorsanız, demet özelliklerini de ölçüyor olmalısınız. Aksi halde hızlandırma yaptığınızı anlamanız mümkün değildir. Hızlandırıcılara göre değişse de ölçülecek özelliklerin kendine göre önemi ve sırası vardır (doğrusal ve dairesel). Bazı hızlandırıcılarda düzenli aralıklarla yapılması gereken yeterlilik ölçümlerinden başlıca iki tanesi demet şiddetinin (akımının) ve radyasyon seviyesinin ölçümleridir. Bu ölçümleri mükemmel hassasiyette yapmak durumunda değilsinizdir. Standart ve düzenli, biraz daha hassas olarak ölçmeniz gerekenler ise yayınım, demet yörüngesi ve sistemin istenilen özellikte ve uyumda çalışıyor olmasıdır. Bunları bazen demetin yolunu keserek (bozucu veya engelleyici), her ne yapılıyorsa bu işi durdurarak, bazılarını ise hiç işlemi kesmeden yapabilmek mümkündür.

3 Bazı ölçüm cihaz/aletleri ve ölçülen fiziksel nitelikler ve demete etkileri

4 Bir RFQ üzerindeki demet ölçüm cihaz/aletleri

5 Demet tanı ölçümleri yapmak için kimler ne bilmelidir? Ölçülen demet parametrelerini anlayacak ve bunların algıcın ürettiği diğer tesirlerinden ayıracak fizikçi. Demetin algıçla yaptığı etkileşimlerin fiziğinin bilinmesi. Mekanik. Analog sinyal işleme (düşük gürültülü yükselteçler, yüksek frekanslı analog elektroniği). Sayısal sinyal işleme. Sayısal veri okuma elektroniği. Uygulama yazılımları.

6 2. Demet Akımı (Şiddeti) Ölçümleri a) Faraday Kabı: Radyo frekans ile sürülen bir hızlandırıcıdaki akım-zaman yapısı aşağıdaki gibidir. Burada: Pulse current (atma akımı): Hızlandırıcıya bastığınız bir atma uzunluğunda ortalaması alınmış akım. Bunch current micro pulse (bohça akımı): Her bir rf periyodunda geçen akım (her bir bohça içindeki parçacık sayısı). Mean current (ortalama akım): zaman içinde ortalaması alınmış akım. Faraday kabı ile akımı ölçmek için demet önünü kesmeli ve gelen parçacıkları bunun içine sokmalısınız. İçeri dalan parçacıklar kabın yüzeyinden elektron söker. Bu elektron dış kap ile üretildiği yüzey arasında bir akım oluşturur. Bu akımı doğrudan veya bir direnç üzerinden gerilim olarak okuyabilirsiniz. Akım DC dışında bir forma sahipse bir osiloskop üzerinden bu şekli izleyebilirsiniz.

7 Faraday kabı hızlandırıcılar ilk yapıldığından beri kullanılmakta ve devre üzerinde demet akımını doğrudan ölçmektedir. Elektron çoğaltıcı tüpler: Analog yükselteçler olabilir mi? Foto çoğaltıcı tüp gibi?

8 Demet vakum kazanı içinde olduğuna göre Faraday kabı da bu kazanın içinde olmalı ve vakumu bozmayacak bir aletle demetin önene sürümeli veya geri çekilmelidir. Bunun için bir flanşlı örnek aleti aşağıdaki fotoda görülmektedir.

9 Demet enerjisinin ve akımın yüksek olması durumunda Faraday kabını bir şekilde soğutmalısınız. Bu demet enerjisinin ve akımının çok fazla yüksek olması durumunda artık kullanılamayacaktır, farklı ölçme yöntemleri kullanılmalıdır. Örnek: Demet Akımı=10 ms, 11.4 MeV/u Ar10+ Demet Boyutu: 55 kw/mm 2, 1MW toplam güç Hedef: 1 mikro-metre Tantalum tabaka, emissitivity=0.49 => Sıcaklık artışı>2000 o C Faraday kabıyla gelen demetin kabaca da olsa enerji dağılımını ölçebilir miyiz? Çok hassas olmasa da, EVET. Eğer gelen demetiniz paralel olarak eşdeş bir manyetik alana girerse enerjilerine göre sapacaktır. Bu sapmayı şekilde görüldüğü gibi bir yarığı hareket ettirerek kayıt edebiliriz. Böylelikle yüklü parçacıkları enerjilerine göre çözümlemiş oluruz (Kütle spektrometresi!). Aynı ölçme düzeneği parçacıkların yük sayılarını da bulmak için de kullanabilir.

10 Akım dönüştürücüleri β hızıyla giden N tane parçacığın oluşturduğu akım, I beam ve endüktansı; Azimutal açıdaki manyetik alan:

11 r 0, r 1 : Bobinin sarıldığı halkanın iç ve dış çapı μ 0,μ r :Vakum ve halka malzemesinin permeabiletesi b) AC Akım Dönüştürücü Demet akımı sürekli değil bohçalar halinde ise akım ve gerilim şekilleri da zamanı bağımlı olacaktır.

12 Etken, edilgen dönüştürücü farkı: Edilgen dönüştürücülerin yükselme ve sarkma zamanları oldukça fazladır. 2 khz<f<1 GHz <=> 1 ns < t < 200 μs aralığında band genişliğine sahiptirler.

13 Aşağıda birinci sütunda dönüştürücüye giren akım sinyal şekillerini ikinci sütunda ise dönüştürücüden çıkan sinyal şekillerini görmektesiniz. Ticari bir edilgen dönüştürücü fotosunu ve özelliklerini görmektesiniz.

14 c) DC Akım Dönüştürücü (DCCT), [Parametric Current Transformer, PCT] DC demet veya 1 saniye veya daha uzun demet sürelerinde kullanılmaktadırlar. İki ferrit halka ve bunların üzerinde üç sarım varsayalım. İki halkanın üst sarımlarını (yeşil) ters yapalım ve kipleyici olarak kullanalım. Kipleme frekansı(sıklığı) 1-10 khz olabilir. Kipleme akımı da o kadar büyük olsun ki halkaları her periyotta iki defa doyuma ulaştıralım (eksi ve artı yönde, Histerisisin uçları). Aşağıda görülen ikinci sarım her iki halka için aynı yönde sarılmış olup üstte (mavi) kiplenmiş sinyallerin algıcı olarak çalışsın (aşağıdaki şekil).

15 Eğer her iki toroid i ideal özelliği olan ikizler olarak kabul edersek üstteki şemada da görüleceği gibi eğer demet akımı yoksa algıçtaki akım sıfır olacaktır. Öte yandan eğer bir DC demet varsa histerisis çizgisinin asimetrik kaymasından dolayı ek olarak bir manyetik alan yaratır. Toplam sinyali sıfırdan farklı ve kipleme frekansının iki katına çıkar. Kip kaldırıcıda (demodülator) sinyal düzleştirilir (hepsi artı taraftadır). Bu akımı ölçmek için bu sinyali sıfıra çekmek üzere geri besleme devresinde yaratılan DC akım (feedback compensation) kullanılarak ölçüm yapılır. Çizimden de görüleceği gibi algıç sinyali olarak çift harmonikler (frekansın çift katları) kullanılabilir.

16 Dönüştürücülerin dış manyetik alana karşı korunması (Magnetic Shielding): Bunun için dönüştürücülerin çok kapalı bir biçimde birkaç kat demir-nikel, özel ferrite saç ve demir gibi duvarlarla kapatılması gerekir. Koruma tüm vakum borusu boyunca boyunca yapılmalıdır(hat boyu>açıklığın çapı olancaya kadar). Koruma demet boyunca simetrik olmalı. Demet ekseni boyunca her hangi bir açıklık bırakılmamalı. Koruma malzemeleri mümkün olan en yüksek permabilite değerinde olmalı ve doyuma ulaşmamalıdırlar.

17 3. Demet Profili Ölçümleri Pırıltı ekranları (Scintillation Screens) Anlaşılması kolay, sonuçları ikna edici, fazla yoruma gerek duymayan bir yöntem. Pırıltıcı malzeme kaplanmış bir plaka üzerine düşen yükler pırıldamaya sebep olmakta ve bir kamera ile tespit edilerek buna bağlı bir elektronik kart ile (frame grabber) işlenebilmekte. Kameranın farklı görüş açılırına göre de dönüşümler yapılarak (mapping) gerçek demet kesitine ulaşılabilmektedir. Sakıncaları: Radyasyona dayanıklı değil, gelen demetin enerjisi yutarak ısınıyor ve yük birikmesi oluyor. Pırıltı ekranının demet hattı üzerine yerleştirilmesi.

18

19 Bazı pırıltıcı malzemeleri Organik kristaller: anthracene (C 14 H 10, decay time 30 ns), stilbene (C 14 H 12, 4.5 ns decay time), ve naphthalene (C 10 H 8, few ns decay time). Organik sıvılar: Bazı monomerler ile karıştırılıp sert polimer durumuna getirilip kullanılmakta. p-terphenyl (C 18 H 14 ), PBD (C 20 H 14 N 2 O), butyl PBD (C 24 H 22 N 2 O), PPO (C 15 H 11 NO), and wavelength shifter such as POPOP (C 24 H 16 N 2 O). <- Plastik pırıltıcıları da bu grupta sayabiliriz. High luminosity P-22 blue Ruggedized resists damage Vacuum only to 10-8 torr, possible outgassing Input 1W/cm 2 max Bakeable to 200 C SS304 or glass backing Standard sizes up to 2"dia

20 Bir hızlandırıcı üzerinde dört kutuplu mıknatıslar kullanılarak odaklanan proton demetinin bu ekran üzerindeki pırıltısı verilmiştir. Kendi ekranımızı yapabilir miyiz? Evet Bir floresan ampulün içindeki toz da aynı işi görmekte Mini bir elektron hızlandırıcısı (50 KeV)

21 İkincil elektron yayım ızgarası (SEM - Secondary electron emission grid) Pırıltı ekranının elektronik bir alternatifi olup her telin kendi akım, gerilim çeviricileri bulunmaktadır. Tellere çarpan demetten dolayı oluşan ikincil elektronların kullanımı ile ölçülmektedir.

22 Tel tarayıcı (Wire Scanner) Daha önce anlatıldığı gibi çok tel yerine tek tel kullanılarak yapılan bir tarama işlemidir. Çok fazla elektronik bileşen de gerekmediği için daha ucuz bir yöntemdir. SEM de olduğu gibi çözünürlükte de bir sınır yoktur, istenilen hızlarda çalıştırılarak (özellikle milimetre altı elektron demeti çaplarında ve DC iyon demetleri için)

23 Çok kanallı plaka (MCP Multi Channel Plate) Minik cam borulardan veya fiberden oluşmakta ve gelen elektronun çoğaltılması ile bir fosfor ekrana düşürülmekte ve demetin şiddet kesiti alınabilmektedir. Burada her fiber bir foto çoğaltıcı tüp yerine geçmektedir. Fiber ekseni demet yönüne 7-9 derecede tutulmakta ve elektron çarpışması garantiye alınmaktadır. Bu sistem gece görüş sistemlerinde de kullanılmaktadır.

24 Diğer demet kesiti ölçüm yöntemleri Multi-wire proportional chamber MWPC Residual gas monitor Beam induced fluorescence monitor Optical transition radiation screens 4. Yayınım ölçümleri Yayınım, bir demetin, her hangi bir zamanda ve herhangi bir yerdeki kesitinin faz uzayındaki tanımıdır. Nedir bu tanım.? O andaki kesitin içerdiği (her parçacık için konum verilerek) demet kesiti ve hareket açılarıdır (momentum uzayındaki hareket yönleridir) Yukarıdaki integralde dx pozisyonun, dx ise hız vektörünün(yöneyinin) yönüdür. Bu toplamanın bütün alan üzerinden yapılması yayınımı verir, yani A=πε. Çok parçacıktan oluşan bir demetteki her parçacığın yönü ve o parçacık bohçasında farklı hzıları vardır. Bu nereden bakıldığı ile de ilgili bir durumdur. Genelde hareket yönlerinde (s) bulunurken diğer yönlerde daha küçük hız bileşenleri vardır.

25 Eğer demet içindeki parçacıkların hepsinin pozisyonlarını ve demete dik yöndeki hareket açıları çizilirse (x,x ) genelde bir elips verir. Bu elipsin x eksenine izdüşümü alınırsa bu o demetin çapını verir Daha gerçekçi bir durum olarak ρ(x, x ) gibi bir Gaussian dağılımını ~x = (x, x ) pozisyon vektöründe tanımlayabiliriz. O zaman yayınımın değeri aşağıdaki gibi verilir. Ve parçacıkların %100 ünü içerecektir. Gaussian dağılımρ(x, x ), ~x = (x, x ) vektörü ile simetrik demet matrisi İle tanımlanabilir Çok sıkça aşağıda tanımlanan ve demet matrisi üzerinden normalize edilmiş Twis parametreleri kullanılır. Böylelikle demet matrisi;

26 ve demet elipsinin denklemi yazılabilir Kesitin genişliği ve açısal dağılım aşağıdaki gibi verilir.

27 Liuville Teorem

28 Parçacık topluluğunun (sisteminin) faz uzayında kapladığı hacim sabittir (dış kuvvetler yoksa)

29 Izgaralı yarık metodu (Slid grid method) Tek yarık metodu Demet üzerinde bir yarık olan (demet eksenine Xslit yüksekliğinde olsun) bir plakaya çaptırılırsa demetin o bölgesindeki parçacıkların görüntüsü daha ilerideki bir ekrana düşürülebilir. Bu parçacıkların görüntüsü (profili) daha önce anlatılan ikincil elektron yayım ızgarası veya tel tarayıcı ile belirlenebilir. Böylelikle demetin o bölgesine ait parçacıkların pozisyon ve hareket açıları bilgisini toplayabiliriz. Bu da bize doğrudan yayınımı verir.

30

31 Pepper-pot (Tuzluk kapağı) Uzun bohça ve yüksek frekansa sahip ve DC demetleri için buraya kadar bahsedilen metotları kullanmak makul bir durumdu. Tek darbe ve çok kısa süreli demetlerde yayınım ölçmek bu yöntemlerle pek olası görünmüyor. O zaman üzerinde bir çok delik (örnek: 15x15) bulunan bir plaka ve arkasında dayanıklı bir pırıldayan (sintilatör) ekran kullanmak makul olabilir.

32 5. Boyuna Demet konum ölçümleri (Beam position monitor) Demetin konumu gibi demet bohçasının şekli de genellikle pikup (pick-up) denilen plakalarla ölçülmektedir. Fikir demetin elektrik alanı vasıtasıyla etrafı yalıtkan hale getirilmiş bir metal plakaya indüklenen yüklerin ölçülmesine de dayanmaktadır (aşağıdaki şekil). Bohçalı demetin elektrik alanı zamana bağımlı olduğuna göre plaka üzerindeki yükler de buna göre değişecektir ve ölçümler için uyuşturma yöntemleri (matching) kullanılmalıdır. Eğer bir demet hattının için dört plaka yerleştirip bu plakalar üzerindeki yük farklarını takip ederseniz demetin hangi yöne gittiğini anlayabilirsiniz

33 Üstteki şekilde böyle bir sistemin hem elektrik hem de manyetik seçenekleri gösterilmiştir Böyle bir yapının ölçüm elektroniği de aşağıdaki gibi olacaktır. R direnci üzerindeki gerilim Olarak okunacaktır.

34 Bu anlatılanlara ek olarak aşağıda verilen başlıklar da incelenmelidir (kaynaklar). LINAC pick-up for longitudinal bunch observation. Position measurement with a capacitive pick-up. Position measurement using button pick-ups. Shoe box pick-ups using the so-called linear cut. Signal treatment of a stripline pick-up. Electronic treatment for position determination. Closed orbit measurement. Tune measurement. Kaynaklar P. Forck, Lecture on Ion Sources, Uni Frankfurt, 02,12,2011, Beam current measurement Ulrich Raich CERN Accelerator School 2005, Beam Diagnostics. Guenther Rehm, Cockcroft Institute Postgraduate Lectures, Autumn 2008, Accelerator Diagnostics Peter Forck, Lecture Notes on Beam Instrumentation and diagnostics, Gesellschaft f ur Schwerionenforschung (GSI), Darmstadt, Germany, p.forck@gsi.de, Joint University Accelerator School, January March 2011 H. Koziol, Beam Diagnostics for Accelerators, CERN, Geneva, Swizterland ( Bu kaynakta konu ile ilgili çok geniş bir referans listesi bulunmaktadır)