3. DOĞRUSAL HIZLANDIRICILAR: TEMEL İLKELER

Benzer belgeler
Hızlandırıcı Fiziği-1. Veli YILDIZ (Veliko Dimov)

Hızlandırıcı Fiziği-2. Veli YILDIZ (Veliko Dimov)

Hızlandırıcı Fiziği-1. Veli YILDIZ (Veliko Dimov)

Hızlandırıcı Fiziği-2. Veli YILDIZ (Veliko Dimov)

HIZLANDIRICI FİZİĞİ. Doğru Akım Hızlandırıcıları. Semra DEMİRÇALI Fen Bilimleri Öğretmeni DENİZLİ (TTP-7 Katılımcısı) 05/03/2018

The Physics of Particle Accelerators - Klaus Wille ( )

Hızlandırıcı FİzİĞİ-1. Veli YILDIZ (Veliko Dimov)

Parçacık Hızlandırıcılar

Hızlandırıcılar ve Çarpıştırıcılar

FZM443 PARÇACIK HIZLANDIRICILARI. Prof. Dr. Ömer Yavaş

Theory Tajik (Tajikistan)

DOĞRUSAL ve DAİRESEL HIZLANDIRICILAR TTP8/CERN

Parçacık Hızlandırıcılarında RF ve Güç

Işınım Kaynakları Hakkında Temel Bilgiler. Yrd. Doç. Dr. Zafer Nergiz Niğde Üniversitesi

Modern Fiziğin Teknolojideki Uygulamaları

Parçacık Hızlandırıcılarının Medikal Uygulamaları 2. Doç.Dr. Bahar DİRİCAN GATA Radyasyon Onkolojisi AD.

Manyetik Alan Şiddeti ve Ampere Devre Yasası

RADYOTERAPİ CİHAZLARINDAKİ GELİŞMELER. Hatice Bilge

Doğrusal Hızlandırıcılar İle Düşük Enerjilerde Protonların ve İyonların Hızlandırılması. Veli Yıldız Mayıs 2012

X-Işınları. Çalışma Soruları. Doç. Dr. Numan Akdoğan Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fizik Bölümü. X1 (X-ışınları hakkında genel bilgiler)

Işınım Kaynakları İçin Benzetim Programları I: SPECTRA

MEKATRONİĞİN TEMELLERİ TEMEL ELEKTRONİK KAVRAMLARI

X-Işınları TAC-SR. Numan Akdoğan.

BAHAR YARIYILI FİZİK 2 DERSİ. Doç. Dr. Hakan YAKUT. Fizik Bölümü

A A A A A A A A A A A

X-Işınları. Çalışma Soruları

ENİNE DEMET DİNAMİĞİ. Prof. Dr. Abbas Kenan Çiftçi. Ankara Üniversitesi

METRİ HIZLANDIRICILAR. Mehmet YÜKSELY ÇÜ FBE Fizik ABD.

TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ SERBEST ELEKTRON LAZERİ PROJESİ

EĞİTİM-ÖĞRETİM YILI 11 SINIF FİZİK DERSİ DESTEKLEME VE YETİŞTİRME KURSU KAZANIMLARI VE TESTLERİ

BÖLÜM 1: Matematiğe Genel Bakış 1. BÖLÜM:2 Fizik ve Ölçme 13. BÖLÜM 3: Bir Boyutta Hareket 20. BÖLÜM 4: Düzlemde Hareket 35

Şekil-1. Doğru ve Alternatif Akım dalga şekilleri

Parçacık Hızlandırıcılarının Tipleri ve Fiziği-II DAĐRESEL HIZLANDIRICILAR. Prof. Dr. Ömer Yavaş Ankara Üniversitesi

ELEKTROMANYETIK DALGALAR

2 MALZEME ÖZELLİKLERİ

X IŞINLARININ TARİHÇESİ

IV. ULUSAL PARÇACIK HIZLANDIRICILARI ve DEDEKTÖRLERİ YAZOKULU

Modern Fiziğin Teknolojideki Uygulamaları

12. SINIF KONU ANLATIMLI

Fiz 1012 Ders 6 Manyetik Alanlar.

ELEKTROMANYETIK DALGALAR

Sensörler Öğr. Gör. Erhan CEMÜNAL Thomas Alva Edison

Bölüm 1 Güç Elektroniği Sistemleri

Bugün Evreni oluşturan tüm enerji toplu iğne ucu büyüklüğünden LHC. Zaman, uzay ve madde Büyük Patlama sırasında ortaya çıktı.

Alternatif Akım Devre Analizi

Hızlandırıcı Fiziği-1. Veli YILDIZ (Veliko Dimov)

Serbest Elektron Lazeri

İÇİNDEKİLER -BÖLÜM / 1- -BÖLÜM / 2- -BÖLÜM / 3- GİRİŞ... 1 ÖZEL GÖRELİLİK KUANTUM FİZİĞİ ÖNSÖZ... iii ŞEKİLLERİN LİSTESİ...

DAİRESEL HIZLANDIRICILAR

SDÜ FEN DERGİSİ (E-DERGİ). 2009, 4(2), THM KIZILÖTESİ SEL YÜKSELTEÇ MODUNUN FİZİBİLİTE ÇALIŞMASI. Hüsnü AKSAKAL*, Ünsoy KOCAÖZ*

Parmela Proje Soruları Çözümleri. 9 Nisan Esin Çavlan & Ece Aşılar

RADYOTERAPİ TEKNİKLERİ

Kimyafull Gülçin Hoca

KARABÜK ÜNİVERSİTESİ Öğretim Üyesi: Doç.Dr. Tamila ANUTGAN 1

Hızlandırıcı Fiziğine ine Giriş

Elektromanyetik Dalga Teorisi

Salim OĞUR. SPP Takımı Adına. SPP de RF Mühendisliği: Güç Kaynağı, İletim Hattı ve Dolaştırıcı

1. Kristal Diyot 2. Zener Diyot 3. Tünel Diyot 4. Iºýk Yayan Diyot (Led) 5. Foto Diyot 6. Ayarlanabilir Kapasiteli Diyot (Varaktör - Varikap)

Antenler, Türleri ve Kullanım Yerleri

PARÇACIK HIZLANDIRICILARININ BİLİME KATKILARI

Proton Demeti Tanı Yöntemleri (Doğrusal Hızlandırıcılarda) Veli YILDIZ 5 Şubat 2015 HPFBU

Manyetizma. Manyetik alan çizgileri, çizim. Manyetik malzeme türleri. Manyetik alanlar. BÖLÜM 29 Manyetik alanlar

BÖLÜM 2. Gauss s Law. Copyright 2008 Pearson Education Inc., publishing as Pearson Addison-Wesley

ALTERNATİF AKIMIN TANIMI

Hızlandırıcı Fiziği. İleri Hızlandırma Yöntemleri. Plazma Dalgası ile Hızlandırma

Mimar Sinan Güzel Sanatlar Üniversitesi, Fizik Bölümü Fizik II Dersi Birinci Ara Sınavı

Statik Manyetik Alan

ALETLİ ANALİZ YÖNTEMLERİ

EĞİTİM ÖĞRETİM YILI.. ANADOLU LİSESİ 11. SINIF FİZİK DERSİ ÜNİTELENDİRİLMİŞ YILLIK PLANI

12. SINIF KONU ANLATIMLI

Parçacık Hızlandırıcılarına Genel Bakış. Parçacık Hızlandırıcılarının Kısa Tarihi Neden? Nasıl? Nereye? Öznur METE. CERN, Hızlandırıcı Fizikçisi


1. Hafta. İzotop : Proton sayısı aynı nötron sayısı farklı olan çekirdeklere izotop denir. ÖRNEK = oksijenin izotoplarıdır.

Parçacık Hızlandırıcılarının Tipleri ve Fiziği

İletim Hatları ve Elektromanyetik Alan. Mustafa KOMUT Gökhan GÜNER

İletken Düzlemler Üstüne Yerleştirilmiş Antenler

Bölüm 1 Maddenin Yapısı ve Radyasyon. Prof. Dr. Bahadır BOYACIOĞLU

Prof. Dr. Ömer YAVAŞ Ankara Üniversitesi

2-MANYETIK ALANLAR İÇİN GAUSS YASASI

RÖNTGEN FİZİĞİ X-Işını oluşumu. Doç. Dr. Zafer KOÇ Başkent Üniversitesi Tıp Fak

ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DOKTORA TEZİ

Dalton atom modelinde henüz keşfedilmedikleri için atomun temel tanecikleri olan proton nötron ve elektrondan bahsedilmez.

Elektrostatik Elektrik Alan Elektrik Akı Kondansatör. Kaynak : Serway-Beichner Bölüm 23, 24, 26

HIZLANDIRICI FİZİĞİ. HAZIRLAYAN: NAZLI BARIŞ-TTP7 DANIŞMAN: VELİ YILDIZ((Veliko Dimov)

TAC PROTON HIZLANDIRICISININ LINAC ALTERNATİFİ İÇİN DTL SİMÜLASYONU. Abdullatif ÇALIŞKAN, Metin YILMAZ

ATOMİK YAPI. Elektron Yükü=-1,60x10-19 C Proton Yükü=+1,60x10-19 C Nötron Yükü=0

FİZİK II - Final UYGULAMA

HIZLANDIRICILARA DAYALI IŞINIM KAYNAKLARI

Statik Manyetik Alan

ELEKTROMANYETİK DALGALAR

Yüksek Frekanslı Yüksek Gerilim Transformatörü Tesla Bobini Tasarımı

Boğaziçi Üniversitesi. 21 Temmuz CERN Türk Öğretmen Çalıştayı 4

Adı ve Soyadı : Nisan 2011 No :... Bölümü :... MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ARA SINAV SORULARI

TEK FAZLI VE ÜÇ FAZLI KONTROLSÜZ DOĞRULTUCULAR

FİZ217 TİTREŞİMLER VE DALGALAR DERSİNİN 2. ARA SINAV SORU CEVAPLARI

EĞİTİM-ÖĞRETİM YILI 12 SINIF FİZİK DERSİ DESTEKLEME VE YETİŞTİRME KURSU KAZANIMLARI VE TESTLERİ

UBT Foton Algılayıcıları Ara Sınav Cevap Anahtarı Tarih: 22 Nisan 2015 Süre: 90 dk. İsim:

ALTERNATİF AKIMIN TEMEL ESASLARI

ELEKTRİKSEL POTANSİYEL

MANYETİK ALAN KAYNAKLARI Biot Savart Yasası

Transkript:

1 3. DOĞRUSAL HIZLANDIRICILAR: TEMEL İLKELER 3.1. Doğrusal Hızlandırıcıların Fiziği Parçacık hızlandırıcılarının tipleri, parçacıkların izlediği yörüngeye bağlı olarak doğrusal ve dairesel hızlandırıcılar olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Doğrusal hızlandırıcılarda (LINear ACcelerator (LINAC)) parçacıklar doğrusal yol boyunca hızlandırıcı yapıyı sadece bir kez geçerek enerji kazanırken, dairesel hızlandırıcılarda (Circular Accelerator) hızlandırıcı yapıyı her dolanımda tekrar geçerek enerji kazanırlar. Hızlandırıcı tiplerinde birinin diğerine göre bariz bir avantaj veya dezavantajından bahsedilemez. Bu iki tip arasındaki seçimi, hedeflenen uygulama alanı veya teknolojik limitler belirlemektedir. Hızlandırıcılarda parçacıkların hızlandırılmasını elektrostatik veya salınımlı RF elektrik alanlar sağlar. - Elektrik Alanlar İçinde Yüklü Parçacıklar Hızlandırıcı fiziğinde parçacıklar üzerine etkiyen tüm kuvvetler, elektromanyetik kuvvetlerdir. Parçacık hızlandırmada, Lorentz kuvvetinin yalnızca elektrik alan bileşeni hızlandırma olayını gerçekleştirmektedir. Bu elektrik alan; statik, atmalı, zamanla değişen bir manyetik alandan elde edilen indüksiyon alanı veya salınımlı RF alanı şeklinde olabilir. Maxwell denklemi ve Stokes integral teoremi kullanılırsa indüksiyon yoluyla elde edilen elektrik alan bulunabilir; xe = 1 c db dt (3.1)

2 xe. da = E. ds = 1 c d B. da (3.2) dt Burada da B. manyetik akı ( B ) olarak tanımlanır. Elektrostatik alanların kullanıldığı durumda parçacıklar elektrotlar arasında oluşan gerilim farkının oluşturduğu statik (durağan) elektrik alanı içinde hızlanırlar. RF hızlandırıcılarda hızlandırma işlemi eksenlerinde demetin geçmesine olanak sağlayan özel rezonans boşlukları ( RF kaviteler ) vasıtasıyla yapılır. Düzlem dalga denklemi Eşitlik 3.3 ile verilmiştir: E(ψ) = E 0. e (iωt ks) = E 0. e iψ (3.3) Burada açısal frekans, k dalga sayısıdır. = 0 ve k = 0 statik alan durumunu da kapsamaktadır. Elektrik yüklü bir parçacığa etkiyen Lorentz kuvveti, F = d mcγβ = ee(ψ) (3.4) dt şeklindedir. Bu kuvvet etkisi altındaki parçacığın kazandığı momentum her iki tarafın integrali alınarak bulunur. Δp = mc(γβ γ 0 β 0 ) = e E(ψ). dt (3.5) p 0 = mcγ 0 β 0 (3.6)

3 Uzay koordinatları üzerinden integral kolaylık sağlayacağından kinetik enerjideki değişim; ΔE kin = βδcp (3.7) ΔE kin = e E(ψ). ds L cy (3.8) şeklinde elde edilir. Burada Lcy, hızlandırıcı kesimin uzunluğudur. Etkin hızlandırma, parçacığın hızı ( ile alanın faz hızı ( v ph aynı mertebede ise mümkün olmaktadır. ) arasındaki uyuma bağlıdır ve etkin hızlanma ancak bu iki hız v p ) RF hızlandırıcılardan elde edilen kaliteli (düşük yayınımlı) elektron demetleri çok kutuplu salındırıcı (undulator) veya zigzaglayıcı (wiggler) magnetlerden geçirilerek yüksek güç ve parlaklıklı, monokromatik (tek enerjili), koherent (eş fazlı) foton demetleri elde edilmektedir. Bu ışınımlar 3. Nesil geniş bant karakterli sinkrotron ışınımı veya 4. Nesil serbest elektron lazeri formunda elde edilebilmektedir. Bu ışınımların elde ediliş mekanizması ve özellikleri ilerleyen bölümlerde ele alınacaktır. 3.2. Elektrostatik Hızlandırıcılar Elektrostatik hızlandırıcılarda parçacıkları hızlandırmak için aralarında potansiyel farkı bulunan iki elektrot kullanılır. Katot ışınları tüpü buna iyi bir örnektir.

4 Şekil 3.1. Elektrostatik hızlandırıcıların çalışma prensibi X-ışını tüplerinde hızlandırılan elektronlar, X-ışını üretmek üzere metal hedefe çarptırılırlar. Elektrostatik limitlerden dolayı, elektrostatik hızlandırıcılarda ancak birkaç bin voltluk potansiyel farkları ( V ) kullanılabilir. Birkaç milyon volta ulaşmak için ise, elektrostatik kırılmaları önleyici bazı yöntemler geliştirilmiştir. - Tesla Transformatörü 1887 yılında Hertz in RF dalgaları keşfinden sonra, yüksek güç üretimi için RF alan kaynaklarının geliştirilmesi uzun zaman almıştır. Bu süreçte Tesla, bir kaç sarımlı birincil bobinin eksenine yerleştirilen çok sarımlı ikincil bobinden oluşan bir transformatör yapmıştır. Şekil 3.2.Tesla transformatörü

5 Maksimum çiftlenimi ve transformatör verimini elde etmek için birincil bobin, ikincil bobinin rezonans frekansına ayarlanmış bir rezonans devresine bağlı olmalıdır. İkincil bobindeki gerilim ile gerilim salınımının yarı periyodu süresince parçacık atmaları hızlandırılabilir. - Kafes Üreteçleri ( Cascade Generators ) Kafes üreteçlerinin çalışması; bir sığanın levhaları arasındaki potansiyel farkını, gerilim çoğaltıcı devre ile istenilen düzeye çıkarma ilkesine dayanır. Bir dizi sığa, uygun yerleştirilmiş diyotlar aracılığı ile yüklenir. Salınan gerilimin pozitif yarısında bir levha, negatif yarısında ise diğer levha yüklenmektedir. Böylece maksimum AC gerilimin iki katına ulaşılır. Şekil 3.3. Kafes üretecinin şematik gösterimi Bu şekilde düzenlenen 2N tane kapasitör ile yükleme gerilimi N katına çıkarılabilir. Sonuç olarak, anahtarlama nedeni ile atmalı demet elde edilmektedir. Bu metoda dayanarak Cockcroft ve Walton, uygun yüksek gerilim teknikleri geliştirmiş ve birkaç milyon voltluk gerilimlere ulaşan yüksek enerjili parçacık hızlandırıcıları inşa etmişlerdir. - Van de Graaff Hızlandırıcıları Van de Graff hızlandırıcısı ile daha yüksek gerilim farklarına ulaşılabilir. Metal bir elektrottan çıkan elektrik yükleri, bir taşıyıcı banda aktarılır ve bu band aracılığı ile büyük bir iletken küreye gönderilir. Sonuçta bu küresel iletken oldukça büyük bir Q

6 değeri ile yüklenir. Bu yüklenme, kürenin potansiyeli ile toprak ucu arasında yeterince yüksek bir V gerilimi oluşturulabilmektedir. Eğer tüm sistem, Freon veya SF6 gibi asal bir gaz ile dolu yüksek vakumlu ortama alınırsa, 20 MV gibi değerlere ulaşılabilir. Şekil 3.4. Van de Graaff Hızlandırıcısının şematik görünümü Örnek: Bir hidrojen iyonu, H, Van de Graaff hızlandırıcısı kullanılarak hızlandırılırsa: q = 2e E kin = 2eΔV (3.9) şeklinde olacaktır.

7 3.3. Doğrusal İndüksiyon Hızlandırıcısı Yoğun parçacık demetlerini hızlandırmak için tekrarlanan transformatör uygulamasıyla, bir boşluk içinde atmalı elektrik alan üretilir ve parçacık demeti ikincil bobin görevi görür. Doğrusal indüksiyon hızlandırıcılarında zamanla değişen dairesel manyetik alan sayesinde yörünge boyunca doğrusal elektrik alan oluşturulur ve bu alan hızlandırmada kullanılır. Doğrusal indüksiyon hızlandırıcılarında 1 ka ya kadar olan demetler birkaç MeV lik enerjilere kadar hızlandırılabilirler. İlk doğrusal indüksiyon hızlandırıcısı 1964 yılında üretilip kullanılmıştır. 3.4. RF Alanlarla Hızlandırma: Wideroe Linak Güçlü kaynakların varlığından dolayı, günümüzde en başarılı parçacık hızlandırma işlemi RF alanlarla yapılmaktadır. RF rezonans boşlukları içinde, aynı boyutlardaki elektrostatik hızlandırıcılarla elde edilen gerilimden çok daha yüksek hızlandırma gerilimlerine ulaşılabilmektedir. Şekil 3.5. Süper iletken 9 hücreli RF kavite

8 Doğrusal hızlandırıcıların çalışma prensibi, salınımlı alanlara ve sürüklenme tüplerine dayanır. Bu metoda göre parçacıklar RF alanın periyodik olarak uygulanması ile hızlandırılır. Wideroe, bu tür bir hızlandırıcı ile potasyum iyonlarını 50 kev e kadar hızlandırmıştır. Çalışma prensibi basit olmasına rağmen, parçacığın salınan alanlar yolu ile doğru yönde ivme kazandığından emin olunmalıdır. Negatif yönlü ivmelendirmeyi engellemek için salınımlı alanın negatif yarı periyodu süresince alan-parçacık etkileşmesi sürüklenme tüpleri sayesinde engellenir. Şekil 3.6. Wideroe lineer hızlandırıcısının şematik yapısı Eşzamanlılık: Verimli hızlandırma için parçacık hareketi, hızlandırma bölgeleri içinde RF alanla eşzamanlı olmalıdır. Sürüklenme tüplerinin boyutları, parçacığı negatif yarı periyod boyunca alandan koruyacak, alanın pozitif maksimuma ulaşacağı kesimde ise diğer sürüklenme tüpüne kadar RF alan ile etkileşeceği bir bölgeye girmesini sağlayacak şekilde olmalıdır. L i 1 2 θ it rf (3.10)

9 Burada v parçacığın hızı, Trf ise salınımlı RF alanın periyodudur. Birinci sürüklenme tüpünün uzunluğu, parçacığın vi hızıyla alanın yarı periyodu boyunca gideceği yol kadar olmalıdır. Wideroe nin bu ilke ile potasyum iyonlarının başarılı bir şekilde hızlandırılmasından sonra, Sloan ın önderliğinde bir grup ve Berkeley de Lawrence, 10 MHz salınımlı ve 42 kv gerilim sağlayan 50 kw lık RF üreteç yapmışlardır. Bunu 30 adet hızlandırma tüpü üzerine uygulayarak civa iyonlarını 1.26 MeV lik bir enerjiye çıkarmışlardır. 1928 de Wideore prensibi geliştirildiğinde, yüksek güçlü ve yüksek frekanslı üreteçler imal etmek çok zor idi. O dönemde ancak 7 MHz e kadar RF üreteçler üretilebilmiştir. Örneğin, 7 MHz de, c/2 hızına sahip bir parçacık için, 10.7 m lik tüp gerekmektedir. Daha kısa tüpler kullanabilmek için daha yüksek RF frekanslara ihtiyaç duyulmaktadır ve günümüzde onlarca GHz frekanslı alanlar kullanılabilmektedir. RF doğrusal hızlandırıcıların gelişimindeki ilerleme, II. Dünya Savaşı sırasında radar tekniklerindeki gelişme ile bağlantılı olarak, yüksek frekanslı ve güçlü RF donanımların gelişiminden önemli ölçüde etkilenmiştir. 1937 de Stanford da Hansen ve Varian kardeşlerin klaystron tipi güç kaynağını icadıyla, yaklaşık 100 MHz den 10 GHz e kadar geniş bir yüksek frekans aralığı elde edilebilir olmuştur. Bununla birlikte, daha yüksek frekanslarda Wideroe yapısının kapasitif doğası, elektromagnetik ışınımdan dolayı oldukça verimsiz olmaktadır. Bunu ortadan kaldırmak için Alvarez, tüpler arasındaki boşlukları metalik yapılar ile çerçevelemiştir. Şekil 3.7. Alvarez linak yapısının şematik gösterimi