TÜRK HIZLANDIRICI KOMPLEKSİ ÖNERİSİ A.K. ÇİFTÇİ, TAC Kollaborasyonu * adına Ankara Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü, 06100 Tandoğan, Ankara ÖZET Türk Hızlandırıcı Kompleksinin linak halka tipli bir φ fabrikası ile yüksek akımlı 1-5 enerjili proton sinkrotronundan oluşması tasarlanmıştır. Tasarlanan φ fabrikası asimetrik elektron ve pozitron demetlerinin karşılıklı çarpışmalarında φ mezonların rezonansta üretilmesine dayanmakta ve CP (Yük-Parite) ile CPT (Yük- Parite-Zaman) simetrilerinin ve özellikle bu simetrilerdeki kırılmaların çok hassas şekilde çalışılabileceği bir laboratuvar olacaktır. Linak-halka tipli çarpıştırıcının diğerlerine göre avantajı ışınlık değerinde bir veya iki mertebe kazandırmasıdır. Bu tip bir φ fabrikasında ışınlık (Luminosity) değeri olarak 34 2 1 ~ 10 cm s e ulaşılabileceği gösterilmiştir. Ayrıca, lineer elektron hızlandırıcısından gelen elektron demetinin salındırıcı (undulator) magnetten geçirilmesi ile serbest elektron lazeri (SEL) ve pozitron halkası üzerine yerleştirlecek zigzaglayıcı (wiggler) magnet aracılığı ile de sinkrotron ışınımı (SI) üretilebilecektir. Bu ışınımları araştırma, teknolojik ve endüstriyel uygulamalar için kullanmak mümkündür. Önerilen hızlandırıcı kompleksinin ana kısımları ve genel şematik görünümü verilmiş, uygulamaları izah edilmiştir. Kompleksin ikinci kısmı olan yüksek akımlı 1 5 enerjili bir proton sinkrotronunun ana parametreleri ve çeşitli kullanım alanları incelenmiştir. Önerilen kompleks 100 300 lik lineer proton ön hızlandırıcısından ve ana proton halkasından oluşmaktadır. Proton sinkrotronunun iki farklı noktasından alınacak proton demetleri kullanılarak oluşturulacak nötron bölgesi ve müon bölgesinde çalışılabilecek uygulama alanlarının bir listesi verilmiştir. Proton sinkrotronunun ana parametreleri ve kullanım alanları araştırılarak belirlenmişlerdir. Anahtar Kelimeler: φ fabrikası, sinkrotron ışınımı, serbest elektron lazeri, proton sinkrotronu * TAC Kollaborasyonu: E. Ateşer, O. Çakır, A.K. Çiftçi, H. Çiftçi, R. Çiftçi, E. Guliyev, H. Karadeniz, H. Horu, A. Özcan, E. Recepoğlu, S. Sultansoy, B. Şirvanlı, Ö. Yavaş, M. Yılmaz, M. Yılmaz 1
1 GİRİŞ Günümüzde çağdaş bilim ve yüksek teknolojiyi geliştirmeden 21. yüzyılda önemli rol oynamak ve ekonomik gelişme sağlamak mümkün değilidir. Türkiye de çağdaş bilimi ve teknolojiyi geliştirmek için iyi düşünülmüş bir ulusal plan ve lokomotif görevi görecek çeşitli alanlarda ulusal proğramlar gerekir. Farklı farklı alanlardan bir çok bilim adamının birlikte çalışabileceği merkezlerden birisi de hızlandırıcı laboratuvar kompleksidir. Bu laboratuvarlar uluslararası destekli devasa büyüklükte olabilecekleri gibi, daha küçük ama modern araştırmanın yapılabileceği şekilde tasarlanabilirler. Bu çalışmada, Ankara Üniversitesi Hızlandırıcı Fiziği Araştırma Grubu olarak son 4 yıl önce başlattığımız ve sonuçları geçen yıl bir DPT projesi sonuç raporuyla [1,2] sunulan ülkemiz için bir hızlandırıcı laboratuvarı önerisini içeren ve bir fizibilite çalışması olan projemizin son bir yılda ki gelişmeleri ve şu andaki durumu sunulmuştur. Önerilen laboratuvar kompleksini temelde iki kısıma ayırabiliriz. Birincisi φ fabrikası diğeri ise 1-5 lik yüksek akımlı çok amaçlı bir proton sinkrotronudur. φ fabrikasının temelinde ayrıca bir sinkrotron ışınımı (SI) kaynağı ve serbest elektron laseri (SEL) laboratuvarları kurulabilecektir. Proton sinkrotronundan ise iki bölgeye proton demetleri aktarılarak; birisinde müon fiziği diğerinde ise nötron fiziği çalışılabilecektir. Birinci bölümde φ fabrikası kompleksinin genel görünüşü, temel parametreleri ve kullanım alanları verilecektir. İkinci bölümde ise proton sinkrotronunun genel görünüşü, temel parametreleri ve kullanım alanları verilecektir. 2 φ FABRİKASI Öngürülen linak-halka tipli φ fabrikasının [3,4,5] ve buna ilave düşünülen SI ve SEL laboratuvarının genel görünümü Şekil 1'de görülmektedir. Çarpıştırıcının tasarımı sırasında ve kararsızlık kaynaklarının incelenmesi [6] sırasında göz önüne alınmayan yoğun pozitron demetinin oluşturduğu elektromagnetik alanlar sonucu, elektron demetinde meydana gelecek olan bozma (disruption) parametresinin kararsızlık etkisi ve bunun sonucu olarak ışınlıktaki değişimi veren ışınlık artma katsayısı H D 'nin ışınlığa katkısı incelenerek DPT projesinde önerilen parametreler kısmen değiştirilmiştir [7]. "Kink" kararsızlığını kontrol altında tutabilmek için bozma parametresinin O(10) mertebesinde olması gerektiği anlaşıldığından dolayı daha önce yuvarlak olan demet yarı düzlemsel olarak değiştirilmiştir. Sonuçlar Tablo 1 de iki farklı parametre seti için verilmiştir. Tablo 1 den görüleceği gibi geometrik ışınlık 10 33 mertebesinde çıkmaktadır. Işınlık artma katsayısı da hesaba katıldığında ışınlık 10 34 mertebesine ulaşmaktadir. Bu değer İtalya da kurulmuş olan ve şu an çalışır durumdaki tek φ fabrikası DAFNE nin tasarım aşamasında hedeflenen ışınlık değeri 32 2 1 L = 5.3 10 cm s değerinden en az 20 kat daha fazladır. φ mezonların bozunumlarına ilişkin temel bozunum kanalları ve dallanma oranları Tablo 2 de verilmektedir. φ rezonans bölgesinin tesir kesiti 2 30 σ = (12π / m ) ( Γc / Γ) 4.4 10 cm 2 olarak alınabilir. Öngrülen komplekste bir çalışma yılında (10 7 s) yaklaşık 4.4 10 11 φ mezon, 2.2 10 11 K + K - çifti ve 1.5 10 11 K 0 çifti üretilecektir. Bu 0 K L S komplekste parçacık fiziğinde CP simetrisinin kırılması, K mezonların nadir bozunumları gibi problemler yüksek istatistik ile incelenebilecektir. Ayrıca nötral K mezonların salınımlarının ve CP kırılma parametrelerinin ayrıntısıyla çalışılmasında kinematik asimetri avantajlı olabilir. Komleksteki pozitron halkası üzerine uygun zigzaglayıcı, dalgaboyu kaydırıcısı ve eğici mağnetler yerleştirilerek sinkrotron ışınımı elde edilecektir. Elde edilecek sinkrotron ışınımının özellikleri TFD18 kongresinde [8] ayrıntılı olarak verilmiştir. Işınım 3. kuşak SI kaynaklarının karakteristiğine sahip olup gerek temel gerekse endüstriyel araştırmalar için geniş bir spektruma sahiptir. SI kaynağı 0.1 Å dan büyük dalgaboylarında ışınım üretecektir Komplekste söz konusu olan 130 ve 260 lik linakta hızlandırılan elektron demetleri uygun bir salındırıcıdan geçirilerek SEL üretilmesi mümkün olacaktır. Burada 760 Å ile 3000 Å arasında SEL üretilmesi planlanmıştır. SEL in üretimi ile ilgili ayrıntılı bilgi TFD19 kongresinde ayrı bir bildiri olarak sunulmuştur [9]. SI ve SEL in uygulamaları için kısa bir liste verilirse: Atomik ve moleküler spektroskopi, Atomik ve moleküler cluster ların spektroskopisi, Katıhal spektroskopisi, Yüzeylerin ve ince filmlerin fiziği ve kimyası, Fotokimyasal süreçler, Biyolojik yapı ve dinamik, Çok tabakalı mağnetik filmler, Yarıiletkenlerin elektronik yapıları, Ağır fermiyon materyaller ve yüksek sıcaklık süperiletkenler Katalizörlü reaksiyonların dinamiği, Litografi. 2
Bu liste istenirse genişletilebilir. 3 1-5 'LİK PROTON SİNKROTRO- NU KOMPLEKSİ Önerilen proton sinkrotronu [10] kompleksinin genel görünümü Şekil 2'de görülmektedir. Hızlandırıcı linak ve ana proton halkası olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Hızlandırıcıların ana parametreleri Tablo 3 ve 4'de verilmiştir. Önerilmiş olan proton sinkrotronundan alınan iki ayrı demetle oluşturulacakdeneysel nötron ve müon bölgeleri için uygulama alanları kısaca şöyle verilebilir: 1. Nötron Bölgesi Uygulamalı Fizik, Sıvılar ve amorf sistemler, Mühendislik uygulamaları, Biyomoleküler bilimler, Temel Fizik, Polimer Fiziği, 2. Müon Bölgesi Müon spin rezonansı, Temel Fizik, Müon katalizörlü Füzyon, Yeni teknoloji üretimi. Listedekilere ek olarak bu hızlandırıcı kompleksinde C. Rubbia nın [11] önerdiği toryum yakıtlı yeni tip (hızlandırıcı temelli) nükleer reaktörle ilgili ön araştırmalar yapılabilir. 4 SONUÇ Çalışmada Türkiye için iki hızlandırıcı önerilmiş; bu hızlandırıcıların en son ana parametreleri verilmiştir. Verilmiş olan uygulama alanlarından görüldüğü gibi bu laboratuvar kompleksi hayata geçirildiği zaman Türkiye de bilimsel ve teknolojik araştırmalara yeni bir ivme kazandırılmış olacaktır. TABLOLAR E + () 2000 1000 4/0.5 E - () 130 260 N + (10 10 ) 10 10 N - (10 10 ) 0.7 0.6 f c (MHz) 30 30 β x+ /β y+ (cm) 2/0.25 β x- /β y- 4/0.5 2/0.25 σ x+/ σ y+ (µm) 28.5/3.5 20/2.5 σ x-/ σ y- 28.5/3.5 20/2.5 ε x+ /ε y+ (Norm. µm) 80/1 40/5 ε x- /ε y- 5.2/0.65 10.4/1.3 σ (cm) 0.1 0.1 z Qx/ Qy 0.034 0.059 Dx/Dy 2.4/19 2.4/19 Hourg. azaltma fak. 0.99 0.96 H D 6.9 5.7 Işınlık (10 33 ) 1.6 2.8 H D * L (10 34 ) 1.1 1.5 Tablo 1 Linak halka tipli φ fabrikası kompleksinin temel parametreleri Bozunum Kanalları K K + K 0 K 0 L S Dallanma Olay Sayısı Oranları 0.495 2.2 10 11 0.344 1.5 10 11 ρπ 0.155 6.9 10 10 ηγ 1.26 10-2 5.6 10 9 π 0 γ 1.31 10-3 5.8 10 8 e + e - 2.99 10-4 1.3 10 8 µ + µ - 2.5 10-4 1.1 10 8 η e + e - 1.3 10-4 5.8 10 7 π + π - 8 10-5 3.6 10 7 η (958)γ 1.2 10-4 5.4 10 7 µ + µ γ 2.3 10-5 1.0 10 7 Tablo 2 φ bozunumunda temel bozunum kanalları, dallanma oranları ve olay sayıları. Seçenekler E=100 Tekrarlama frekansı, Hz Ortalama akım, ma Toplam uzunluk, m E=200 E=300 25 25 25 1 1 1 10 20 30 Tablo 3 Lineer proton ön hızlandırıcısının ana parametreleri. 3
Seçenekler E=1 E=3 E=5 Tekrarlama frekansı, 25 25 25 Hz Pik mağnetik alan, T 1 3 5 Sinkrotronun 100 100 100 çevresi, m Tablo 4 Proton sinkrotronunun parametreleri. ŞEKİLLER Şekil 1 Linak halka tipli φ fabrikası kompleksinin genel görünümü 4
100-300 lik Linac 1-5 lik PS Nötron Bölgesi -Fizik -Yer Bilimleri -Sıvı ve Amorf Sistemler -Polimer Bilimi -Mühendislik Uygulamaları Müon Bölgesi -Temel Müon Fiziği ve Yeni Teknolojiler -Müon-Katalizörlü Füzyon -µsr Şekil 2 Proton sinkrotronunun genel görünümü KAYNAKÇA [1] Parçacık Hızlandırıcıları: Türkiye de Neler Yapılmalı DPT Projesi, DPT-97K-120420, (2000). [2] A. K. Çiftçi et al., F.Ü. Fen ve Müh Bilimleri Dergisi 13(1) (2001) 363. [3] P. Grosse-Wiesmann, Nucl. Instr. Meth. A274 (1989) 21. [4] S. Sultansoy, Tr. J. of Physics (Doğa) 17 (1993) 591; ibid 19 (1995) 789. [5] C. Rubbia, CERN Preprint EP/88-130, Geneva (1998). [6] A. Kenan. Çiftçi, Erdal Recepoğlu, F.Ü. Fen ve Müh Bilimleri Dergisi 13(1) (2001) 369. [7] A. Kenan. Çiftçi, Erdal Recepoğlu, UPHUK I (2001). [8] A. K. Çiftçi, E. Recepoğlu, TFD-18 Fizik Kongresi Bildiri Tam Metinleri (Y.Ufuktepe, M. Özdemir, Eds.), ISBN 975-97178-0-8 (1999) 277. [9] Ö. Yavaş, TFD2000 19. Fizik Kongresi, Fırat Üniversitesi, Elazığ, 26-29 Eylül 2000, Bildiri Kodu: YEPF-11. [10] S. Sultansoy, Ö. Yavaş, M. Yılmaz, F.Ü. Fen ve Müh Bilimleri Dergisi 13(1) (2001) 375. [11] C. Rubbia and J.A. Rubio, CERN/LHC/96-11 (1996). 5