IV. ULUSAL PARÇACIK HIZLANDIRICILARI ve DEDEKTÖRLERİ YAZOKULU

IV. ULUSAL PARÇACIK HIZLANDIRICILARI ve DEDEKTÖRLERİ YAZOKULU HIZLANDIRICIYA DAYALI IŞINIM KAYNAKLARI - I SERBEST ELEKTRON LAZERİ (SEL) Prof. Dr. Ömer YAVAŞ Ankara Üniversitesi Fizik ik Mühendisliği liğibölümüü

İÇİNDEKİLER Işınım Kaynağı Nesilleri Sinkrotron Işınımı ş (SI) Nedir? Depolama Halkası Nedir? Ana Teknik Donanımları Nelerdir? Sinkrotronun Yapısı ve Fiziği Sinkrotron Işınımının Fiziği Sinkrotron Işınımının Kullanım Alanları Sinkrorton Işınımı için Örnek Laboratuar THM Sinkrotron Işınımı Projesi Serbest Elektron Lazeri (SEL) SEL in Fiziği ve Çalışma Prensibi Dünyadaki SEL Laboratuarları Kurulması Planlanan Türk Hızlandırıcı Merkezi SEL Tesisi

SERBEST ELEKTRON LAZERİ Serbest Elektron Lazeri: Rölativistik bir elektron demetinin, kutupları arasına sinüsel bir manyetik alan uygulanan salındırıcı (undulator) magnetten geçerken, kinetik enerjisinin i i bir kısmının elektromanyetik lk ışıma yoluyla ayarlanabilir dalgaboylu, yüksek akı ve parlaklık değerlerine sahip monokromatik ışınıma dönüşmesi yoluyla elde edilir. 3

SEL in Oluşumu 4

Serbest Elektron Lazerinin Çeşitleri Osilatör SEL Yükselteç SEL Kendiliğinden Genlik Arttırımlı SEL (SASE SEL) 5

Undulatör spektrumu, n harmonik mertebesini göstermek üzere ε n [ kev ] = 0. 947 λ ne [ GV GeV ] [ cm ] ( 1 + k / ) u k / Etrafında gözlenen monokromatik piklerin serilerinden oluşur. λu Burada λ salındırıcının periyodu ve [ ] k = 0. 936 BT λ [ cm ] λu Salındırıcı magnetin kuvvet parametresidir. 6

7

High-brightness radiation sources need high-brightness drive beam! 8

SEL İN FİZİĞİ Serbest Elektron Lazerinin Temel Parametreleri : Elde edilen foton demetinin (lazer) dalga boyu elektron demetinin enerjisine ve salındırıcınınn kutup periyoduna bağlıdır. Böyle bir bir düzenekle elektron demetinin enerjisinin e.m. ışınıma aktarılma yüzdesi üd i%150 %1-50 arasındadır. dd 9

Bir düzlem undulaörden elde edilen SEL için foton demetinin dalga boyu λ lazer = λ γ u K 1 + e + γ e θ şeklindedir. d di Burada, λ u düzlemsel l undulatörün periyot uzunluğu, elektron demetinin i Lorentz faktörü, θ elektronun geliş açısı ile gözlem açısı arasındaki açıdır. 10

B u undulatörün pik magnetik alan değeriğ olmak üzere, undulatör K parametresi, K = Burada, eb π u m λ e u c = 0. 9337 B [ T ] λ [ cm ] d e = 4πα, α = 1/137 ince yapı sabitidir. bitidi K~1 Salındırıcı ( Işımaya ş asıl katkı 1. harmoniklerden gelir. Ve n harmoniklerde görece zayıf pikler oluşur) K>3 Zigzaglayıcı (Işıma geniş band karakterlidir) -5 Eylül 008, Bodrum Prof. Dr. Ömer YAVAŞ 11 u u

Undulatör için serbest elektron lazerinin dalgaboyu ve enerjisi pratik birimler cinsinden o λ u (cm ) λsel (A ) = 13.056 (1 + E (GeV ) K ) ve enerjisi E SEL ( ev ) = 950 λ u E ( e cm ( GeV )( 1 + ) K ) Tipik SEL ler için enerji bölgesi: 1eV-10 kev 1

Serbest Elektron Lazerinin Kalitesini Etkileyen Parametreler : Elektron demetinin ve undulatörün kalitesi serbest elektron lazerinin kalitesini belirler. Lazerin band genişliğine yayınım yönünde bazı faktörlerin katkıları, Δ λ λ = Δ γ γ + 1 K Δ K + γ 1 + K 1 + K ( Δ θ ) ile verilir. 13

Δ λ λ = Δ γ K Δ K + γ 1 + K + γ 1 ( Δ θ ) + K İlk terim elektron demetinin enerji yayılımının etkisini, İkinci terim undulatör parametresinden veya magnetik alan değerindeki ğ sapmalardan gelen katkıları, Son terim ise Δθ yarı açı genişlemesinden ş gelen katkıyı belirtmektedir. 14

Sonuç olarak; λ dalga boyundaki bu yayılım çizgi yarı genişliği 1/ N u ile verilir. Burada N u undulatörün kutup sayısıdır ve undulator boyu olmak üzere, N u = Lu / λ u ile verilir. L u 15

Serbest elektron lazeri üretim düzeneğinin etkin bir şekilde çalışması için salındırıcı ve elektron demeti kalitesi aşağıda verilen koşulları sağlamalıdır. Δ γ γ = 4 1 N K Δ K 1 < 1 + K 4 N Δ θ < 1 γ 16 + K N u u u

Lazer Dalgaboyu - Emittans İlişkisi i Çizgi i genişliği 1 / N u olan, SEL dalga boylu serbest elektron lazeri üretmek için: λ Elektron demetinin emittansı ε < λsel π şartını sağlamalıdır. 17

SEL İçin Farklı Opsiyonlar 18

SEL Osilatör Modu Bu modda; - paralel ayna arasına yerleştirilen undulatörler kullanılır - Undulatör eksenine dikey yönde yoğunluk dağılımına sahip elektron demeti kullanılır - Undulatör eksenine paralel yönde hareket eden elektron demeti vardır - Yükseltilmiş dalga düzlemsel dalgadır - Sürekli elektron demeti kullanılır 19

Serbest elektron lazeri osilatöründe, çıkan ışınım optik kavite içinde depolanır, elektron demetiyle defalarca etkileşir. Çıkan ışınım, kazanç doyuma ulaşana kadar artırılır. SEL osilatör için dalga boyu 180nm civarına kadar düşük bir limite sahip olabilir. Örneğin, ğ VUV bölgesinin üzerinde SEL osilatör için çalışma yapılamaz. 0

Osilatör SEL in Şematik Görünümü Prof. Dr. Ömer YAVAŞ -5 Eylül 008, Bodrum 1

SASE Modu (Self Amplified Spantenous Emission) X-Işını bölgesinde serbest elektron lazeri elde etmek için aynasız sistemler kullanılır. Bu moda SASE (Self Amplified Spantenous Emission) i adı verilir. SASE yüksek akım ve yüksek enerji linaklarına dayanır. Bu durumda çıkış lazer gücü elektron demet gücünün kesriyle orantılıdır ve 10 5 MW/cm mertebesindeki güç yoğunluğuna ulaşılabilir. 3

SASE FEL 4

SASE presibi ile çalışan SEL ler aşağıdaki gibi tanımlanan ρ parametresi, enerji kazanım ve güç doyum uzunluğu ğ ile pik güç değeri ğ için çok önemli bir parametredir. Bu parametrenin nominal değeri 10-3 mertebesindedir. 5

ρ = 1 K λ I u f B p 64 I A n π γ βε 1 / 3 şeklindedir. Alfven akımı, değeri, ğ I A I p Elektron demetinin pik akım γ Lorentz faktörü, K Undulatör parametresi, f B Bağlaşım aş faktörü, λ u Undulatör dua periyodu, B u Undulatör magnetik alanının pik değeridir 6

Bu parametreler cinsinden; Işınım gücünün ikiye katlanma uzunluğu : l g = λ u 4 πρ SEL üstel kazanç parametresi : G = 4 πρ N u Işınım gücü doyum değeri : P sat = ρp demet P [ ] demet GW = Ip(A) E [ GeV] SASE prensibinde ΔE < ρ< 10-3 tür. 7

Serbest Elektron Lazerinin Temel Parametreleri P Güç [ kw ] = 0. 63 L ( m ) I [ A] ( E [ GeV ]) ( B [ T ]) u e ile verilir. Gücün pik değeri için üst limit sinkrotron ışınımında 10 3 W civarında iken SEL için bu değer düzeneğe bağlı olarak 10 9-10 10 W mertebesine ulaşabilmektedir. Ortalama tipik güç değerleri ise kw mertebesindedir. e u 8

I SEL 14 = 1.74 10 N (E e Akı [ GeV ]) I[ A] F [ K] f (nν ) n n F 1 K n [ K] = ξn J n 1 (nξ ) J n+ 1 (nξ ) ξ = ( ) ( ) 1+ K sinν / nω ), N, 1 ω f ( ν ) = ( ν n = π u, n ν / n ω / 1 = 1,3,5... ω 1 = E FEL / h ilk harmoniğin frekansı, N u Dalgalandırıcı kutuplarının sayısı ve n harmoniklerin mertebesidir. Akı: foton/saniye/mrad/0.1% / d/01%bandgenişliği 9

Parlaklık k Akı yoğunluğu ğ ğ olarak verilen spektral parlaklık kise saniye, 0.1% band genişliği, mm ve mrad başına foton sayısı olarak tanımlanır ve akının kaynak ile ilgili açısal alana bölünmesiyle elde edilir ve, B SEL = ( π ) σ I SEL x σ y σ x ' σ y ' ile tanımlanır. 30

' σ x σ y ' : Faz uzayı alanı σ y σ x : Etkin kaynak alanı ε ε λ / 4π, y Enine emittanslar, x sağlıyorsa lazer enine kohorent olacaktır. Serbest elektron lazerinin doğal band genişliği n. harmonik için Δλ / λ nn u ile ve kohorent uzunluk l = λ ile verilir. c nn u u Spektral parlaklık SEL için 10 1-10 3 arasındadır. 31

Dünyadaki Serbest Elektron Lazeri Laboratuvarları FEL Labs FEL Table 3

SASE FEL PROJELERİİ TTF FEL (FLASH) TESLA XFEL LCLS XFEL Spring-8 XFEL CLIC XFEL 33

FEL Animasyon SASE FEL Animasyonu (www.desy.de)

TTF FEL (Phase 1) E 40-50 MeV σ E /E 0.06 ± 0.0 % I p ε n λ u 1.3 ± 0.3 ka 6 ± mm. mrad.73 cm K 1. λ 95-105 nm Phase of the TTF FEL will operate at 1 GeV, where more superconducting modules are added and the undulator dl length his extended. dd 35

TTF Results Shortest FEL wavelength so far (saturation) Single shot power and spectrum (statistic) First user applications i of FEL radiation 36

37

TESLA X-FEL E 0-50 GeV σ E /E 0.05 % I p ε n λ u 5.0 ka 1.6 mm. mrad 6 cm K 3.7-7.5 38 λ 1-10 Å

39

40

TESLA X-FEL 41

4

LCLS E σ E /E I p ε n λ u 14.3/4.5 GeV 0.01/0.05 % 3.4 ka 1. mm. mrad 3 cm K 3.7 43 λ 1.5/15 Å

44

45

Road Map for SASE X-FEL 000 10 nm TTF at DESY 005 60nm 6.0 VUV-FEL at DESY 006 3.6 nm Spring-8 X-FEL 010 015 0.15 nm LCLS, Stanford 01 0.10 nm EuroFEL (DESY) 46

SCSS X-FEL (Japonya) 47

48

49

50

CLIC X-FEL 51

CLIC X-FEL 5

53

SEL in UYGULAMA ALANLARI Atom ve molekül Fiziği iği 1. Atom Fiziği Çoklu iyonlaşma Çoklu kor deşik oluşumu İç kabukların çoklu foton iyonizasyonu Yüklü iyonların uyarımı ve iyonizasyonu 54

. Molekül Fiziği Çoklu iyonizasyon i ve lineer olmayan etkiler Rezonans elastik saçılma ve lineer olmayan etkiler 3. Yığınlar Yığınların çoku iyonizasyonu ve lineer olmayan etkiler X-ışınları saçılması yoluyla zaman çözümlemeli yapı tayini Yığın titreşimleri ve reaksiyonları Faz geçişleri ve yığın ğ eritilmesi 55

Plazma Fiziği 1. Plazmanın X-Işınları İle Etkileşmesi. Yapı Yoğunluğunda Plazma oluşumu X-Işını atmalarına hidrodinamik tepki Denge dışı ş plazma durumları Az yoğun maddenin araştırılması 3. Plazma Spektroskopisi k i Plazma durumunun tayini X-ışını lazer geçişlerinin araştırılması 56

1. Magnetizma Yoğun ğ Madde Fiziği iği. Magnetizmada açık problemler Magnetik bölgeler, yüzeyler ve ince filmler Jel magnetizması 3. Faz Dönüşümleri Akıllı malzemeler Faz geçişlerinin dinamiği 57

4. Sıvılar ve Düzensiz Sistemler 5. Ekstra koşullar altındaki Malzemeler Yüksek basınç ve sıcaklık fazları 6. Uyarımlar Elektron gevşeme ş süreçleri Yoğun madde içinde çoklu foton uyarılmaları Kollektif uyarılmalar 58

Yüzey ve Ara yüzey Çalışmaları 1. Yüzeylerden Zaman Çözümlemeli X-ışını Saçılması Faz geçişleri esnasında kısa süreli ara durumlar Katı fazın kararlılığı ll ğ ve erimenin i doğası ğ Sürtünme ve kaymanın zaman çözümlemeli yapısal analizi Lazer kaynaklı süreçlerin X-ışını ile kısa süreli izlenmesi 59

. Sıvı ve Yumuşak Ara Yüzeyşer Biyolojik sistemler Yumaşak malzemeli filmlerin incelenmesi Sıvılar ve sıvı filmler Lokalize sıvılar Elektrolitik ara yüzeyler Deneysel Düzenekler 60

3. Düşük Boyutlarda Kollektif Uyarılmalar Örgü kararsızlıklarına dayalı akıllı malzemeler Örgü kararsızlıkları ve yüksek yoğunluklu birleşmeler l Nano mertebeli sürtünmeler Mikro yapılar içinde ısısal taşınım Deneysel düzenekler * Elastik olmayan nükleer rezonans saçılma * Koherent elastik olmayan X-ışını saçılması 61

Malzeme bilimi 1. Sert Malzemeler Mezo sistemlerin üç boyutlu yapısal karakterizasyonu *M Metaller * Seramikler Dinamik Süreçler ve zaman çözümlemeli araştırmalar Deneysel Prof. Dr. Ömer YAVAŞ düzenekler-5 Eylül 008, Bodrum 6

. Polimerler Yapısal değişimler Polimerlerin dinamiği Malzeme özellikleri 3. Nano Malzemeler Nano spektroskopisi Nano kristallerin i yapısı Küçük nesnelerin görüntülenmesi 63

Kimya 1. Femtokimya. Analitik Katıhal Kimyası Nanometre mertebeli spot büyüklüğü ile üç boyutlu tomografi ve iki boyutlu haritalama Düşük dirençli elementlerin araştırılması 3. Heterojen Kataliz Fotoelektronların spektroskopisinde yeni yaklaşımlar Gerçek katalizlerin faz bileşimleriş Kataliz Prof. Dr. Ömer reaksiyonları YAVAŞ -5 Eylül 008, Bodrum 64

Yaşam ş Bilimleri 1. Çevirme Simetrisine Sahip Olmayan Makromoleküler Altyapılar. Mikro ve iki boyutlu Kristaller 3. Biyomoleküllerin Fonksiyou 4. Makromoleküllerin Dinamiği 5. Hücresel Yapılar 6. Alternatif Fazlama Metodu 65

Lineer Olmayan Süreçler ve Kuantum Optiği ğ 1. Lineer Olmayan Optik ve Kuantum Optiği. Sebest Elektronlar Foton ekleme ve çıkarımı Parametrik büyütme 3. Temel Yüksek-alan Birimi Bir lazer alanı içinde kuantum elektrodinamiği vakum bozunumu 66

4. Atom Optiği Dipol kuvvetleri, atom örgüleri Atom girişim ölçümü 5. Faz Çiftlenimi 6. X-Işını Optik Elemanları l 67

Teşekkürler. http://thm.ankara.edu.tr yavas@eng.ankara.edu.tr