FOTON KONTROL ve DİAGNOSTİK TEKNİKLERİ İlhan TAPAN Uludağ Üniversitesi IV. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Detektörleri Yaz Okulu 02-05 Eylül 2008, Bodrum-Muğla 1
İçerik - Giriş - Foton Demet Diagnostiği - Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler - Aynalar, Mercekler ve Demet Ayırıcıları - Spektrometre - Otokorelatör - Nd:YAG Lazer - Demet Zayıflatıcı - Polarizasyon Dönüştürücü - Detektörler - Gaz Monitör Detektörü - Mercury Cadmium Telluride -MCT Detektörü - Pyroelektrik Detektör - Microchannel Plate (MCP) detektörü 2
İçerik - Detektörler - CCD Kamera - Intensified CCD (ICCD) - Konum Duyarlı Detektör (Position Sensitive Detector-PSD) - Streak Kamera - Diagnostik Örnekleri - THM IR-SEL Test Laboratuvarı Foton Diagnostik İstasyonu - Mevcut SEL Laboratuvarlarındaki Diagnostik Sistemlerinden Örnekler - Diagnostik- Kontrol - Hızlandırıcılarda Kullanılan Parçacık Kontrol ve Diyagnostik Teknikleri dersinde.. 3
Giriş Demet diagnostiği, demetinin özelliklerini demet hatları boyunca izleyen, demetin herhangi bir uygulama alanında kullanılabilmesi için önceden belirlenmişş özelliklerinin korumasını sağlayanğ donanım ve kontrol sistemleri bütünüdür. Bu sistemler hızlandırıcı laboratuarlarının performans ve kararlılığını hızlı ve güvenli bir şekilde kontrol ederek, sadece deneycilerin değil aynı zamanda makine operatörlerinin de iş yükünü oldukça azaltır. Bir hızlandırıcı laboratuarında elde edilen foton demetinden bahsediyorsak, prensipte aynı fakat yapısal olarak oldukça farklı iki diagnostik sistemi karşımıza çıkar. - Hızlandırılan yüklü parçacıkların analizi için demet diagnostik sistemi, - Cerenkov ışınımı, sinkrotron ışınımı ve serbest elektron lazeri (IR bölgesinden X-ışınları bölgesine kadar) gibi foton demetlerinin analizi içini gerekli foton demet diagnostikik sistemidir. idi 4
Foton Demet Diagnostiği Foton demet diagnostiği, elde edilen foton demetinin ayarlanabilmesini, anlaşılıp karakterize edilebilmesini ve deneycilere ihtiyaç duydukları temel demet parametreleri bilgisini sağlar. ğ Demetin bilinmesi gereken parametreleri; spektral dağılımı, şiddeti, istatistiksel özellikleri, konumu, varış zamanı, puls aralığı, koherentliğidir. Ölçülecek demet parametreleri çok çeşitlidir. Aynı parametreler farklı aygıtlar tarafından belirlenebilir. Diğer taraftan birkaç parametre de tek bir aygıt ile belirlenebilir. 5
Foton Demet Diagnostiği Elde edilen foton demeti önce demet hatları üzerinde ölçülür, sonra detaylı ölçümleri yapılmak üzere kullanıcı laboratuarlarından önce kurulan foton diagnostik istasyonuna taşınır. Demet hatları, foton demetinin lineer polarizasyonunu koruyup, hava tarafından soğurulmayağ uğramadanğ taşınmasınış sağlayanğ yüksek vakumlu borulardır. Foton demeti, demet hatları içerisinde mercekler tarafından odaklanır ve aynalar yardımı ile diagnostik ve deney istasyonlarına istasyonuna taşınır. ş Diagnostik istasyonunda donanımlar granit masa üzerine yerleştirilir ve fotonun hava tarafından soğurulmasını önlemek için masa, ya He-Ne veya N 2 gibi gazların bulunduğu ğ kapalı bir hacim yada vakum içerisinei i yerleştirilmelidir. 6
Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler Aynalar, Mercekler ve Demet Ayırıcıları Aynalar ve mercekler foton demetinin iletiminde ve odaklanmasında kullanılırlar. Örnek olarak 2-185 mikron aralığında dalga boyuna sahip bir foton demeti için Quartz, CaF 2, Ge, Si ve Polyethylene Fresnel mercekler ile Al, Au veya Ag gibi metaller ile kaplanmış yüksek k yansıtma gücüne üü sahip aynalar kullanılmalıdır Mercekler, demet hatları boyunca paralel foton demetini oluşturmak ve diagnostik işlemleri sırasında ışığı odaklamak veya dağıtmak amacıyla kullanılır. 7
Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler Aynalar, Mercekler ve Demet Ayırıcıları Demet ayırıcının görevi, gelen demeti yansıyanvegeçenolmaküzere ikiye ayırmaktır. Genellikle demet ayırıcılar gelen demetin önüne 45 o lik açı ile yerleştirilirler. Bu durumda, geçen ışık aynı doğrultuda yoluna devam ederken, yansıma dik açı ile gerçekleşecektir. Demet ayırıcılar kısmi geçirgen metal filmler veya prizmalardan yapılmaktadır. Demet ayırma oranı 50:50 veya başka bir değerlerde olabilir. 8
Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler Spektrometre - Czerny-Turner tipi spektrometre kullanılır. 9
Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler Otokorelatör Mikro-pulsların ölçümlerinde ve karakterizasyonunda kullanılır. Uygun ikinci harmonik üreten kristaller kullanılarak, geniş bir spektrum aralığında ölçüm yapılabilir (IR bölgede CdTe kristali) 10
Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler Nd: YAG Laser Neodyum iyonları katkılı Yitrium Aluminyum Garnet; Nd:Y 3 Al 5 O 12 lazer sistemi foton demet pulsunun tekrarlama frekansını azaltmak için kullanılmaktadır. Nd:YAG, dalgaboyu 1064.17 nm olan lazer ışığı yayınlar. Demetten bir puls seçimi, Nd:YAG lazer ve dönebilen bir geri-yansıtıcı alet kullanılarak gerçekleştirilebilir. 11
Diagnostik İşleminde Kullanılan Malzemeler Demet Zayıflatıcı Demetin gücünün istenilen kademelerde azaltılmasını sağlar. Metal ızgaralar tarafından demetin belirli bir kesri yansıtılır. Yansıyan demet, zayıflatıcının su soğutmalı duvarlarında soğurulur. Polarizasyon Dönüştürücü Işığın lineer polarizasyonunun yönünü genellikle 45 veya 90 gibi sabit bir miktarda döndürmek için kullanılır. 12
Detektörler Gaz Monitör Detektörü Detektörden geçen fotonların sayısı, detekte edilen parçacıkların (iyonlar/elektronlar) (y sayısına bağlığ olarak bulunur. N photon = N particle N particle = Q. E.( h ν ) σ ( h ν ) z η n ph n atom 13
Detektörler Mercury Cadmium Telluride -MCT Detektörü MCT, üç yarıiletkenin oluşturduğu bir alaşımdır. Detektör, 10 ile 20 μm arasında değişen kalınlığa sahip ince bir HgCdTe tabakadan ve üzerine oturtulmuş metal kontak yüzeylerden oluşur. 14
Detektörler Pyro-elektrik Detektör Gelen ışık yükseksoğurma katsayısına sahip duyarlı alana çarparak soğurulur. ğ Soğurulma, ğ LiTaO 3, 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 = pa dt dt p; pyroelektrik sabit, materyale bağlı A; detektör alanı dt/dt; sıcaklığın zamanla değişimi 15
Detektörler MCT's: wavel. range 2 up to 200 µm pyrodetectors: wavel. range 0.5-1000 µm 16
Detektörler Microchannel Plate (MCP) detektörü MCP birkaç milyon kanala sahip olup, kanalların her biri bağımsız birer elektron çoğaltıcı olarak çalışır. MCP, çok küçük yarıçaplı (4 ile 25 μm arasında) iletken hale getirilmiş cam boruların (kanallar) birleştirilerek ince bir levha haline getirilmesiyle oluşturulur. 17
Detektörler CCD Kamera CCD aslında bir foton detektörü olarak tasarlanmıştır, ancak içerisine giren yüklü parçacıklar tarafından oluşturulan elektron-hol çiftlerini de algılar. Oluşan yük taşıyıcıları, pikselin hemen altında oluşan bir potansiyel kuyusunda tutulur ve sinyal, depo edilen bu yüklerin bir pikselden diğerine sırasıyla kaydırılmasıyla alınır. Bu sinyalin bir yükselteç devresi tarafından yükseltilmesi gerekir. Bir CCD milyonlarca pikselden oluşabilir. Üç fazlı CCD 18
Detektörler Intensified CCD (ICCD) CDD nin önüne bir şiddetlendirici (intensifier) kısım eklenmesi ile oluşur. Bir şiddetlendirici, sırası ile monte edilmiş üç fonksiyonel elemandan oluşur; Fotokatot, micro-channel plate (MCP), fosforf ekran. Şiddetteki artış (foton kazancı) 10000 kata kadar çıkabilir 19
Detektörler Konum Duyarlı Detektör (Position Sensitive Detector-PSD) Yüksek konum çözünürlüğüne ve küçük cevap zamanına sahip olduğundan, demetin konumunu X ve Y doğrultusunda 3 μm den daha iyi bir çözünürlükle ölçebilir. CLS de Hamamatsu C5658 APD modulü kullanılmaktadır. Toplam kuantum verimi 20
Detektörler Streak Kamera Demet içerisinde arka arkaya gelen ışık pulslarını incelemek amacı (pulslar arası mesafe ölçümü - demet özelliklerinin değişiminin gözlenmesi gibi) ile kullanılır. Yatay eksen konumu, düşey eksen zamanı gösterir. 21
Diagnostik Örnekleri THM IR-SEL Test Laboratuarı Foton Diagnostik İstasyonu 22
Diagnostik Örnekleri THM IR-SEL Test Laboratuarı Foton Diagnostik İstasyonu A schematic layout of the TAC IR FEL photon diagnostic table 23
Diagnostik Örnekleri A photograph of ELBE IR-FEL photon diagnostic table 24
Diagnostik Örnekleri A photograph of JLAB IR-FEL photon diagnostic table 25
Diagnostik Örnekleri 26
Diagnostik Örnekleri 27
Diagnostik- Kontrol Tüm parametreleri, tam bilgisayar kontrollü bir şekilde ölçme işlemi kontrol odasından yönetilir. 28
Sonuç Bir hızlandırıcı laboratuarında elde edilen parçacık/foton demetinin diagnostiği ğ ve kontrolü oldukça önemlidir. 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, toplam insan gücünün de %20 sini gerektirmektedir. Diagnostik ve kontrol işlemlerinde kullanılacak detektörlerin çalışma prensipleri iyi bilinmelidir. Farklı ışınım kaynakları için hangi parametrenin hangi detektör tarafından ölçülmesi gerektiği verimlilik açısından önemlidir. 29
EK- Jlab parametreleri 30
EK- Kontrol odasından bir görünüm 31
EK- Streak kamera- konum/zaman dönüşümü 32
33