II. ULUSAL PARÇACIK ACIK HIZLANDIRICILARI ve DEDEKTÖRLER RLERĐ YAZ OKULU Parçac acık Hızlandırıcılarına Dayalı Işınım Kaynakları Sinkrotron IşıI şınımı Prof. Dr. Ömer YAVAŞ Ankara Üniversitesi Fizik MühendisliM hendisliği i BölümüB 1
Sinkrotron Işınımı 2
Sinkrotron Işınımı Nedir? Elektronlar veya herhangi diğer yükly klü parçac acıkların n eğrisel e bir yörüngede y (Sinkrotron da)) ivmelendirildiklerinde hareket doğrultusunda yaptıklar kları elektromağnetik ışımaya sinkrotron ışınımı denir. 3
4
5
6
Enine ivmelendirilmiş yüklü bir parçac acık k için i in ışınım m gücü: g Pratik birimler cinsinden: 2 r P c γ 3 mc dp = 2 dt 2 P = P γ = 4π µ 2 2rc c 2 2 B E = 2 0 3( mc ) C B B 2 E 2 C 2 4π 2rc c 8 W B = = 6.0779 10 = 379.35 2 2 2 2 µ 0 3( mc ) T GeV T 1 GeVs 7
Anlık sinkrotron ışınımı gücünü pratik birimler cinsinden şu şekilde verebiliriz: P = γ 4 ccγ E 2 2π ρ Burada elektronlar için Sand in ışınım sabiti kullanılmaktadır: 4 = π 3 c 14 5 Cγ = 1.41733 10 = 8.8460 10 2 3 4 ( r mc ) msw GeV m GeV 3 Protonlar için ışınım gücü gerçekte elektronunki ile karşılaştırıldığında kütle oranlarının dördüncü kuvveti ile ters orantılı olrak küçüktür. Pe P p = 4 1836 = 1.1367 10 13 8
Sinkrotron ışınımı ile ilgili bilgilerimiz ışığında bir parçacığın dairesel bir hızlandırıcıda tur başına kaybettiği enerjiyi ışınım gücünün hızlandırıcı boyunca integralini alarak hesaplayabiliriz. U 0 2 2 3 4 ds = P = γ dt rc mc β γ 2 3 ρ ρ eğicilik yarıçaplı ve izomagnetik bir magnetik örgü için rölativistik elektronların dairesel hızlandırıcıda dönü başına kaybettikleri enerji: U 0, iso ( GeV ) = C γ E 4 ( GeV ρ( m) 4 ) Toplam ortalama ışınım gücü: P ( MW ) s iso = 0.088463 4 E ( GeV ) ρ( m) I( A) I = ef rev N e 9
Elektromagnetik atmanın toplam zaman cinsinden uzunluğu ( nın üçüncü kuvvetiyle ters orantılı olarak ) kısadır. Bu kısa atma geniş spektruma dönüşür. Etkin atma Uzunluğunun yarısını kullanarak spektrum bir maksimum frekans değerine ulaşır. Bu değer sinkrotron ışınımının kritik foton frekansı olarak bilinir: γ ω c 1 (1/ 2) δt 3 2 3 γ c ρ Kritik foton enerjisi: ε 3 E 3hc = h ε c = C c C 3 ρ c = 2( mc 2 ) c ω c Elektronlar için sayısal ifade: 3 3 E ( GeV ) ε c ( kev ) = 2.2183 = ρ( m) 0.66503E 2 ( GeV 2 ) B( T ) 10
ω /ω frekans aralığında, birim katı açı başına foton akısı, foton şiddetini karakterize etmek Đçin kullanışlı bir parametredir. & 2 d N ph 2 = C Ω E I dθdψ ω K ω 2 2/3( ξ ) F( ξ, θ ) ψ Burada sapma düzlemi içindeki, θ sapma düzlemine normal olan açıdır. C Ω = 3α 4π e( mc ) = 1.3255 2 2 2 10 16 smrad 2 foton 2 GeV A%100BG 11
Foton akısının θ üzerinden integrali alındığında, dn& ph 4α I = γ dψ 9 e ω ω S ω ωc ω S ω ψ α Burada eğici magnette sapma açısı ve ince yapı sabitidir. fonksiyonu şu şekilde tanımlanır: c ω S ωc = 9 3 8π ω ω c ω / ω K5 /3( x) dx c Burada K ( 5 /3 x) bir modifiye Bessel fonksiyonudur. 12
Sinkrotron ışınımı spektrumunun evrensel fonksiyonu. 13
Avrupa Sinkrotron Işınımı Laboratuvarı (ESRF) Gronoble-France 14
SR de Fiziksel Niceliklerin Önemi 15
Kutuplanma Güvenilirlik Yüksek zaman çözünürl rlüğü Küçük k bir katı açıya sahip olması 16
SI Kaynaklarının n Nesilleri Birinci nesil: : Eğici E magnetlerde üretilir, parazitsel kullanılır Đkinci nesil: : SI üretmek amacıyla tasarlanmış ış, salınd ndırıcı ve zigzaglayıcı kullanılm lmıştır Üçünc ncü nesil: Đkinci nesil gibi, ancak kaynak düşük d emittanslı (<20 nm rad) 17
18
Eğici ve zigzaglayıcı magnetlerin kullanılması halinde, spektrum geniş band karaktere sahiptir ve kritik frekans ε c [ ] [ ] 2 KeV = 0.665 B T E [ GeV ] Örneğin: E=1 GeV, B=1 T Kritik Enerji: 0.665 KeV 19
20
Dalga boyu çıkan ışınımın enerjisiyle ilişkilidir: λ [ cm ] = 1. 2399 ε c 10 [ kev ] 7 21
Akı: Parlaklık: F = foton sayısı / s mrad ω B B = foton sayısı / Ω S ω B Ω : Birim katı açı, ω B : Birim band genişliği, S : Birim kaynak alanı 22
Avantajları ve Özellikleri Çok yüksek y foton akısı Yüksek parlaklık Esneklik (ayarlanabilir dalgaboyu ve kaynak büyüklb klüğü) Uzak kızılötesinde k sert X-ışıX ışınlarına na kadar geniş bir bölgede b sürekli s spektrum 23
Dünyadaki SI Laboratuvarları Synchrotron Radiation Laboratories 24
Dünyada SI Merkezleri 25
Amerika da SI Merkezleri 26
Avrupada SI Merkezleri 27
Asyada SI Merkezleri 28
Japonyada SI Merkezleri 29
TAC Projesi Sinkrotronu 30
TAC Zigzaglayıcısının Parametreleri Enerji (GeV) 1 2 Maksimum magnetik alan değeri (T) 1.054 1.054 Akım (A) 0.967 0.488 Zigzaglayıcı periyodu (cm) 13.2 13.2 Kutuplar arası dik uzaklık (mm) 30 30 Zigzaglayıcının toplam uzunluğu (m) 2.112 2.112 Toplam yayılan güç (kw) 1.44 2.90 Kritik enerji (KeV) 0.700 2.804 Zigzaglayıcı parametresi, K 12.99 12.99 31
TAC Sinkrotron Işımasının n Parlaklığı 32
Kullanım m Alanları Dalgaboyu Å Foton Enerjisi (ev) Biyoloji/ Tıp Kimya Fizik Teknoloji 1000 100 10 1 0.1 0.1 Kızılötesi 1 Görülebilir 10 Morötesi 100 Vakum Morötesi 1000 Yumuşak X Işını 10000 Sert X Işını Biyokimya Biyofizik VUV ve X Işını mikroskopisi Radyografi Akışkan Yüzeylerde Kompleks biyomoleküllerin yapısının belirlenmesi X-ışını Anjiyografisi ve tomografisi Katalizli reaksiyonlar Fotokimya Elektron spektroskopisi ile kimyasal analiz Işıma tahribatının incelenmesi Polimerlerin yapısının belirlenmesi Đz elementlerin analizi Katıların elektron yapısı Yüzeylerin ve arayüzeylerin özellikleri Atomik ve moleküler fizik X-ışını floresansı Tomografi Đnelastik X- ışını saçılması Compton saçılması Spektroskopide yeni metodlar Yüksek performanslı optik Kalibrasyon ve radyasyon standartları Zigzaglayıcı ve Foto-elektron salındırıcı spektroskopisiışıması araştırması X-ışını optiği X-ışını litografisi Malzeme araştırması 33
Kullanım m Alanları Biyolojik Bilimler Tıp Yarıiletken, yüzey y ve arayüzey fiziği Malzeme Bilimi X-Işını fotoelektron spektroskopisi Arkeometri Fiziksel kimya Polimerler Fizik mühendislim hendisliği Kimya mühendislim hendisliği Đnşaat mühendislim hendisliği Jeoloji Farmakoloji Fizik Radyoloji Mağnetik nanoyapılar ların incelenmesi Mikromakinalar X-Işını astronomisi Yüksek sıcakls caklık süperiletkenliği Foto elektron holografisi Akış ışkanların n iletkenliği Çevre bilimi v.s. 34
Bazı Uygulamalar Malzeme Bilimi: Dünya çapında sinkrotronların demet zamanlarının n %70 i i bu alan için i in kullanılır. Sinkrotron ışığı spor ayakkabılar larının, n, otomobil kaportasının n ve tamponlarının n ve mobilya köpüğünün k n geliştirilmesinde önemli rol oynadı.. Tinersiz boya, biodegradeable plastik ve oto, uçak u ve boru hatlarında korozyonun araştırılamas lamasında başar arıyla kullanıld ldı. 35
Malzeme Bilimi Materyallerdeki defektlerin gerçek ek zamandaki gözlemleri. Moleküler ler fotofragmantasyonu Mikrofabrikasyon araştırmalar rmaları Açı çözümlemeli X-ışıX ışını floresans spektrometresi 36
Polimer geliştirilmesinde, katalistlerin optimizas izasyonunda, uzay gemisi endüstrisi için i in yeni seramiklerin geliştirilmesin tirilmesinde e ve materyal yaşlanmas lanması sürecinin anlaşı şılmasında X-ışıX ışını soğurulma spektroskopisi başar arıyla kullanılmaktad lmaktadır. Amorf materyallerin yapısı incelenmektedir. Malzeme Bilimi 37
Elektron mikroskobu altında bir mikromotor. Nanolitografi Optik litografi ile ulaşı şılabilen çözünürl rlük k değeri eri 500 nm ile sınırls rlı iken; sinkrotron ışınımı 100 nm den daha iyi bir çözünürl rlük sağlamaktad lamaktadır. Bu ise elektronik ve mekanik araçlar ların minyatürle rleştirilmesi ni sağlar. Bir mikrotürbin. Microconnector 38
X-Işını Holografisi Üç boyutlu olarak atomik yapıları betimlemek için uzmanlar X-ışınının bir kristaldeki atomlardan saçılmasını kullanırlar. Demir Kristalinin Hologramı X- ışını holografisini kullanarak DESY nin HASYLAB ındaki uzmanlar üç boyutlu kristalin yapısına daha detaylı bakabilmişlerdir. Đnce ölçüm teknikleri ve matematiksel metotlar bir kristaldeki çeşitli atomların yerlerini direkt olarak belirlemeyi mümkün kılar. Diğer bir değişle atomik çözünürlüklü üç boyutlu bir resim oluşturulur. 39
Biyolojik Bilimler Enzimler gelişimden imden çürümeye kadar yaşamla amla ilgili hemen hemen bütün b n süres reçlerin kompleks kimyasını kataliz etmektedir. Enzimlerin nasıl çalıştıklarının n anahtarı atomlarının üçboyutlu organizasyonunda ve reaksiyonların n meydana geldiği i enzimlerin aktif mevkilerinin civarındaki bağlant lantıların n ve yüklerin y dağı ğılımlarında gizlidir. X-ışını soğurulma spektroskopisi adı verilen teknik enzim içindeki i indeki metal atomlarının n en yakınındaki ndaki komşular ularını soğurulma yardımıyla yla belirlemektedir. 40
Farmakoloji AIDSe sebep olan virüsün çoğalmasında önemli bir rolü olan HIV-protease enziminin yapısının belirlenmesi. Bu durumda proteasenin 3-boyutlu yapısının çözümlenmesinde protein kristalografisi (protein kristallerinden x-ışıx ışınlarının n kırınımının k incelenmesine dayanan bir metot) kullanılmaktad lmaktadır. Bu bilgi ilaçşirketlerinin irketlerinin yeni AIDS ilaçlar larının n tasarımlar mlarında kullanılmaktad lmaktadır. Metal-proteinler ve metal-enzimlerde enzimlerde ki metal atomlarının n konumlarının n yapısı ve fonksiyonları incelenmektedir. Membran yapılar ların n doğas ası ve membranla proteinlerin etkileşmesi araştırılmaktad lmaktadır. 41
Farmakoloji Sinkrotron ışınımının yüksek parlaklıkl foton demetleri kullanılarak larak proteinlerin üç boyutlu yapısını aylar veya yıllar y içinde inde çözmek yerine günler içinde i inde çözerek elde edecekleri bilgi biyoteknoloji şirketlerinin yeni ve daha iyi ilaçlar lar tasarlamalarını veya kışk ışa dayanıkl klı buğday üretmelerini sağlayabilir. Protein Antikor 42
Sinkrotron Işınımı çok küçük k miktarda örnek kullanarak seramiklerin, boya pigmentlerin ve sırların n kompozisyonları hakkında önemli sorulara cevaplar sağlayacakt layacaktır. Bu ise eski üretim tekniklerini anlamamızı sağlayacakt layacaktır. Arkeometri 43
Avrupa Sinkroron Işınım Laboratuvarı (ESRF, Gronoble,, Fransa) Bazı Bilimsel Uygulama Alanları BĐYOLOJĐ X-ışını kristalografisi,, proteinin yapısını atomik seviyelerde belirlemekte kullanılmaktad lmaktadır. 44
Sinkrotron ışınımının n yüksek y kalitesi, çok özel tekniklerin gelişmesine izin vermiştir ve X-ışıX ışını kristalografisi,, biyologlar için i in temel bir araç haline gelmiştir. 45
KĐMYA Bir kimyasal reaksiyonun nasıl l yürüdüğünüy anlamak için, i in, moleküller ller üzerinde, molekül hareket halinde iken çalışılmalıdır.faz geçişleri ya da yapı değişimleri, imleri, bu reaksiyonlar ne kadar hızlh zlı yada fark edilemez olursa olsun Sinkrotron Işınımı kullanılarak larak gözlemlenebilmektedir. 46
Faz geçişleri ya da yapı değişimleri, bu reaksiyonlar ne kadar hızlı yada fark edilemez olursa olsun Sinkrotron Işınımı kullanılarak gözlemlenebilmektedir 47
TIP Kalp, akciğer ya da beynin sinkrotron görüntüleri, günümüzde g hastanelerde kullanılandan landan daha az ve küçük üçük k dozlarda radyasyon kullanılarak larak elde edilebilmektedir. 48
Sinkrotron ışınımı ayrıca kanser tümör t r terapi uygulamalarında geleneksel X-ışıX ışını tekniklerinin iyileştirilmesi ve tamamen yeni görüntg ntüleme teknikleri geliştirilmesine imkan sağlamaktad lamaktadır. 49
YER BĐLĐMĐB Depremler, volkanlar ve tektonik tabakaların hareketlerini daha iyi anlamak için, i in, yerin çekirdeğini ini ve kabuğunu unu oluşturan ve uç koşullarda sıcakls caklık k ve basınca maruz kalan materyalleri araştırmakta rmakta yine Sinkrotron Işınımından ndan faydalanılmaktad lmaktadır. 50
FĐZĐK Malzemelerin yüzeyini y oluşturan, atomların n en üst tabakası, ESRF deki bir çok çalışmanın n konusudur. Malzeme yüzeylerinin y nano seviyelerinde daha iyi anlaşı şılması,nano skalasında geometrik, elektronik ve magnetik yapı ve malzemelerin ilgili özelliklerin ortaya çıkarılması mikroelektronik endüstrisinde yeni uygulamalar vaat etmektedir. 51
MALZEME BĐLĐMĐB Materyallerin büyük b k bir çoğunluğu; u; metal alaşı şımları, yarıiletkenler, sıvıs kristaller, polimerler, kolloidler,, camlar, fiber optikler, plastikler ve katalizörler X-ışıX ışını kullanılarak larak çalışılabilmektedirler. 52
ENDÜSTR STRĐ ESRF deki deneysel tertibatlar, sıcaklık, basınç, nem gibi parametreleri olduğu kadar elektrik ve magnetik alan, mekanik zorlamalar ve kimyasal reaksiyonları da kullanarak, endüstriyel şartları simüle ederek, benzeştirerek çalışma imkanı sağlamaktadır. 53
KAYNAK KĐTAPLAR Synchrotron Radiation H. Wiedemann (2002) Charges and Fields (1-16) 16) Fundemental Processes (17-30) Overwiev of Synchrotron Radiation (31-54) Radiation Sources (55-72) Accelerator Physics (73-76) 76) Particle Beam Optics (77-98) Radiation Effects (9-124) Storage Ring Design as a Synchrotron Light Source (125-136) 136) Theory of Synchrotron Radiation (137-176) 176) 54
Insertion Device Radiation (177-216) Free Electron Lasers (217-230) 230) Beam diagnostics (244-271) 271) Magnet support and alignment (274-302) Beam instabilities (306-342) 342) Orbit stabilizing and multibunch feedback systems (344-375) 375) Wiggler and undulator insertion devices (377-406) Conventional facilities (409-431) 431) Safety (432-458) 458) 55
Synchrotron Radiation Production and Properties Philip John DUKE (2000) Synchrotron radiation and electromagnetic waves (1-15) 15) Electromagnetic radiation is produced by electrons (16-31) Electromagnetic radiation observed and imagined (32-52) Radiation from moving electrons (53-75) The spectral distriution of synchrotron radiation Pthoton spectral distribution integrated over vertical angles (114-126) 126) Introduction to electron storage rings (127-143) 143) Synchrotron radiation from electron storage rings (144-155) 56
Synchrotron Radiation Production and Properties Philip John DUKE (2000) Behaviour of the electron beam in a synchrotron radiation storage ring. The concept of phase space (156-173) 173) Behaviour of the electron beam in a synchrotron radiation storage ring. Betatron oscillations (174-185) Behaviour of the electron beam in a synchrotron radiation storage ring. Energy oscillations (186-205) Insertion devices-wigglers (206-212) 212) Insertion devices-undulators (213-230) 230) Recent developments and future prospects (231-239) 57
Synchrotron Radiation Sources A Primer Herman Winick (1994) Introduction and overview (1-15) 15) Lattices (30-56) Injector systems (59-85) R.F. Systems (87-118) Magnet design (119-148) 148) Magnet power supplies (149-169)) 169)) Magnetic measurement (171-195) 195) Vacuum system (197-213) Accelerator controls and modeling (215-241) 241) 58