DEMET DİAGNOSTİĞİ. İlhan TAPAN Uludağ Üniversitesi

Transkript

1 DEMET DİAGNOSTİĞİ İlhan TAPAN Uludağ Üniversitesi III. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Detektörleri Yaz Okulu, Eylül 2007, Bodrum-Türkiye 1

2 Demet DiagnostiğiNedir? Yüklü Parçacık Demeti Diagnostiği Demetinin parametrelerini (akım, pozisyon, büyüklük, parlaklık, enerji vs.) ölçmek ve gözlemlemek. Elektron diagnostiği için, elektronların tabancadan (GUN) çıkıp, durduruluncaya (DUMP) kadar tüm hat boyunca yapılır. Foton Demeti Diagnostiği Oluşan ışığın odaklanması, doğrultulması, karakteristiğinin belirlenmesi işlemlerini kapsar. Işığın karakteristiklerinin ölçümü, kullanıcılara ulaştırılmadan önce belirli özel bir bölgede yapılır. 2

3 Demet DiagnostiğiNedir? Temel amaçlar Ölçümleri demete zarar vermeden hızlı bir şekilde yapılmak. (Fast and non-destructive) Demetinin parametrelerini ölçmek ve gözlemlemek. (Demetten alınan sinyaller lokal elektronik yardımı ile takip edilebileceği gibi, dönüştürücüler yardımı ile bilgisayar ortamına aktarılarak, bilgisayar kontrolü sağlanarak yapılmalı) İstenilen parametreleri elde etmek için gerekli demet ayarlarını yapmak. (Online olarak kontrol odasından) 3

4 Demet DiagnostiğiNe İçin Yapılır? Demet sürekli kontrol altında tutulmadığı taktirde ne olur? Şekil 20 kw gücündeki demetin, demet hattına verdiği zararı gösteriyor. 4

5 Demet DiagnostiğiNe İçin Yapılır? Demet hatları Demetinin taşındığı vakumlu borulardır. Demeti en az kayıpla iletecek ve sahip olunan alanı en optimum halde kullanılacak şekilde tasarlanır. Yüklü parçacık demet hatlarının, demet parametrelerini ölçecek cihazların kolay ve doğru bir şekilde ölçüm yapabilmelerine izin vermesi gerekir Foton demet hatları, demetin lineer polarizasyonunun korunup hava tarafından soğurulmaya uğramadan deney istasyonlarına ulaştırılmasını sağlar. Bir FEL laboratuvarı demet hattı kaynaktan başlayıp elekronlar için dump edildiği yere kadar giderken, fotonlar için kullanıcı laboratuvarlarına kadar uzanır. 5

6 Yüklü Parçacık (elektron) Demeti Diagnostiği Demetin akımı (ma), yükü (pc), boyu (ps), konumu (beam position), kaybı (beam loss), yönlendirilmesi, odaklanması, sıkıştırılması gibi parametreler ölçülmelidir 6

7 Elektron Demet Diagnostiği Demet akımı, demetin en temel parametresidir. Varlığı fonksiyonellik testidir. Faraday kapları, iyonizasyon odaları, sintilatörler ve akım dönüştürücüler (Transformators), yük veya akımı ölçmek için kullanılır. Demet hattı içerisinde demetin pozisyonu oldukça önemlidir. Demet pozisyonu online olarak sürekli takip altında tutulmalıdır. Demet konum monitörleri (Beam Position Monitors) ile yapılan ölçümler sonucu demet selenoidler ve magnetler yardımıyla hizalanır ve odaklanır. Demet kayıp monitörleri (Beam Loss Monitors) ise, çok şiddetli demetlerde gerçekleşebilecek çok küçük kayıpların hassas olarak ölçülmesinde kullanılır. bir 7

8 Elektron Demet Diagnostiği Faraday Kabı Demetin taşıdığı yük miktarına bağlı olarak demet akımını ölçer. Düşük ve akımları ölçülebilir. Kap doğrudan demetin önüne konulduğu için demet yapısına zarar vererek ölçüm yapan bir sistedir. (Demet dupm edilebilir) Kap, bir veya birden çok kalın, iletken malzemeden (Cu, C, Pb, Ta gibi) oluşmaktadır. Demetteki parçacıkların tamamen soğurulması için, malzemenin türü ve L kalınlığı demetin E enerjisine bağlı olarak seçilir. Malzemede birim uzunluk başına enerji kaybı de/dx olmak üzere L= E/(dE/dx) olmalıdır. Yaklaşık olarak ~0.4 m kalınlığındaki bakır, 1 GeV enerjili elektronları durdurmak için yeterlidir. 8

9 Elektron Demet Diagnostiği Faraday Kabı Bağlı bir R direnci üzerinden ölçülen V voltajı, soğurulan anlık akımın değerini verir. Böylece demet yükü, karşılık gelen bir akıma dönüştürülürmüş olur 9

10 Elektron Demet Diagnostiği İyonizasyon Odası Çok ince duvarlı gaz iyonizasyon odaları, yüksek enerjilerde çok düşük demet şiddetlerini-akımlarını ölçmek için kullanılmaktadır. İyonizasyon odaları aynı zamanda demet kayıp detektörleri olarak da kullanılmaktadır. Detektör içerisinden geçen demetteki elektronlar iyonizasyon yaparak elektron-iyon çiftlerini oluşturur. Oluşan elektronlar anoda doğru sürüklenir ve bir akım oluşturur. Uygulanan voltaj tüm yüklerin toplanabildiği ancak çoğalmanın olmadığı plato bölgesinde tutulmalıdır. 10

11 Elektron Demet Diagnostiği Akım Dönüştürücüler q yüküne sahip N adet parçacıktan oluşan bir demetteki akım, t birim zamanı başına geçen yük miktarıdır. q. e. N I demet = t İdeal durumda telin uçları arasındaki gerilim aşağıdaki şekilde verilir. di V = L. dt demet 11

12 Elektron Demet Diagnostiği Sintilatörler Enerji kaybıyla orantılı ışınım verirler, hızlı decay zamanına sahiptirler ve radyasyona dayanıklıdırlar. 12

13 Elektron Demet Diagnostiği Demet konum monitörü Demet hattı borusu içerisine simetrik olarak yerleştirilmiş toplayıcılar, hem aralarından geçen demetteki toplam yükü hem de demet konumunu belirlemek için kullanılabilir. Şiddetten bağımsız demet konum bilgisini ve demet kayıplarını belirlemek için de kullanılırlar. 13

14 Elektron Demet Diagnostiği Demet konum monitörü 14

15 Elektron Demet Diagnostiği Demet konum monitörü- Sintilatör Ekranlar Demetin önüne bir sintilatör ekran konularak, çıkan ışığın bir CCD kamera ile görüntülenmesine dayanan tahribatlı bir yöntemdir 15

16 Elektron Demet Diagnostiği Demet konum monitörü- Sintilatör Ekranlar 16

17 Elektron Demet Diagnostiği Demet konum monitörü- Tel tarayıcılar Demet içinde hızla hareket ettirilen iletken telin demet ile etkileşmesi sonucu oluşan akımın ölçümü temeline dayanır. Tel tarayıcılar küçük boyutlu elektron demetleri için kullanılırlar. 17

18 Elektron Demet Diagnostiği Demet kayıp monitörü Özellikle süperiletken magnetlerin kullanıldığı hızlandırıcı makinelerinde, kayıpların yerini ve büyüklüğünü görebilmek için demet kayıp monitörü kullanılır. Burada kullanılan detektörler, demet borusunun çevresine yerleştirilir ve boru malzemesi tarafından soğurulmayan yüklü parçacıklar veya -ışınlarını detekte etmek için kullanılırlar. Bu nedenle plastik sintilatörler, fotodiyotlar ve fotoçoğaltıcı tüpler kullanılır İçerisine Ar gazı doldurulmuş ince bir boru tüm demet hattı boyunca paralel olarak yerleştirilir. Böylece demette meydana gelecek en ufak elektron kaybı gaz ile etkileşip, gazı iyonlaştırır. Böylece bir akım elde edilir. 18

19 Elektron Demet Diagnostiği Demet kayıp monitörü 19

20 Elektron Demet Diagnostiği ELBE serbest elektron lazeri araştırma merkezi laboratuarında, elektron demet hattı üzerinde bulunan diagnostik elemanları görülmektedir. 20

21 Foton Demet Diagnostiği Foton demet diagnostiği, elde edilen foton demetinin ayarlanabilmesi, anlaşılıp karakterize edilebilmesi ve deneycilere ihtiyaç duydukları temel demet parametreleri bilgisini sağlayabilmesi bakımından önemlidir. Elde edilen foton demeti, öncelikle demet hatları içerisinde mercekler tarafından odaklanır ve aynalar yardımı ile diagnostik istasyonuna taşınır. Optik malzemeler foton demetinin spektral aralığına bağlı olarak seçilir. Örnek olarak, λ=2-185 μm arasında FEL demeti için kullanılacak mercekler; Kuartz, Ge, Si ve Polietilen Fresnel mercek olmalı, aynalar ise Al, Au, Ag ile kaplanmış olmalıdır. Filtreler verilen dalga boyu aralıklarına uygun olmalı, metal kaplamalı demet ayırıcılar tercih edilmelidir. 21

22 Foton Demet Diagnostiği Temel olarak foton diagnostik istasyonlarında; demetin dalga boyunu ölçmek ve spektral analizini yapmak için uygun bir spektrometre ve demetteki pulsların boylarını ölçmek ve puls sürekliliğini belirlemek için bir otokorelatör sistemi kullanılmaktadır. Uygun kuantum verimine sahip HgCdTe (MCT) ve pyroelektrik detektörleri spektrometre ile birlikte kullanılır. 22

23 Foton Demet Diagnostiği Czerny-Turner Spektrometresi SpectraPro-300i Imaging Spectrometer 23

24 Foton Demet Diagnostiği HgCdTe (Mercury Cadmium Telluride -MCT) Detektörü HgCdTe, üç yarıiletkenin oluşturduğu bir alaşımdır. Detektör, 10 ile 20 mm arasında değişen kalınlığa sahip ince bir HgCdTe tabakadan ve üzerine oturtulmuş metal kontak yüzeylerden oluşur. Yüksek soğurma tesir kesitine sahip bu detektörde soğurulan fotonlar uyarma yoluyla elektronları değerlik bandından iletkenlik bandına çıkartırlar. Yüklerin kontaklara iletimi için detektör besleme voltajı uygulanır. Çıkış voltajı gelen foton akısı ile orantılıdır. 24

25 Foton Demet Diagnostiği Pyroelektrik Detektör Gelen ışık yüksek soğurma katsayısına sahip duyarlı alana çarparak soğurulur. Bu soğurulma, LiTaO3, PZT gibi çok kristalli pyroelektrik malzemenin sıcaklığında değişime sebep olur. Sıcaklık değişimi ile pyroelektrik malzemede oluşan elektriksel yükler elektrotlar tarafında toplanarak bir çıkış sinyali elde edilir. I = dt pa dt p; pyroelektrik sabit, materyale bağlı A; detektör alanı dt/dt; sıcaklığın zamanla değişimi 25

26 Foton Demet Diagnostiği Otokorelatör Çok kısa pulslarının boyunu ölçmek ve puls sürekliliğini belirlemek için kullanılır. Gelen ışık pulsu treni bir demet ayırıcı kullanılarak eşit şiddette iki kola ayrılır. Pulslardan biri sabit bir yol boyunca ilerlerken, diğeri hareketli bir optik geciktirici ile birinciye göre geciktirilir ve her iki puls ikinci harmonik üreten SHG kristali üzerine düşürülür. Oluşan ikinci harmonikler, ölçüm için odaklanarak detektör üzerine düşürülür 26

27 Foton Demet Diagnostiği Polarizasyon DönüştürücüD Foton demeti, üç bakır aynadan oluşan sistemi geçerken şekilde gösterilen eksen etrafında α kadar döndürüldüğünde, polarizasyon 2α kadar değiştirilmiş olunur. 45 o lik bir döndürme yapıldığında polarizasyon yataydan düşeye, yada düşeyden yataya döndürülebilir. 27

28 Foton Demet Diagnostiği Zayıflat flatıcı Demetin gücünün istenilen kademelerde azaltılmasını sağlar. Metal ızgaralar tarafından demetin belirli bir kesri yansıtılır. Yansıyan demet, su soğutmalı zayıflatıcının duvarlarında soğurulur. 28

29 Sonuç Bir hızlandırıcı sisteminin ne derece verimli çalıştığı ve çalışması için ne yapılması gerektiği, ancak elde edilen demetlerin incelenmesinden sonra anlaşılır. Bu işlem toplam maliyetin %10 unu, insan gücünün de %20 sini gerektirmektedir. 29