The Physics of Particle Accelerators - Klaus Wille (1.3.5-1.3.6-1.3.7)



Benzer belgeler
Hızlandırıcı Fiziği-2. Veli YILDIZ (Veliko Dimov)

Hızlandırıcı Fiziği-2. Veli YILDIZ (Veliko Dimov)

Hızlandırıcı Fiziği-1. Veli YILDIZ (Veliko Dimov)

Hızlandırıcı Fiziği-1. Veli YILDIZ (Veliko Dimov)

3. DOĞRUSAL HIZLANDIRICILAR: TEMEL İLKELER

Hızlandırıcı FİzİĞİ-1. Veli YILDIZ (Veliko Dimov)

Parçacık Hızlandırıcılar

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

Theory Tajik (Tajikistan)

Hızlandırıcılar ve Çarpıştırıcılar

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

Hızlandırıcı Fiziği-1. Veli YILDIZ (Veliko Dimov)

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

Fiz 1012 Ders 6 Manyetik Alanlar.

DEMOCRİTUS. Atom hakkında ilk görüş M.Ö. 400 lü yıllarda Yunanlı filozof Democritus tarafından ortaya konmuştur.

DOĞRUSAL ve DAİRESEL HIZLANDIRICILAR TTP8/CERN

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

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

A A A A A A A A A A A

Gamma Bozunumu

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

KUTUP IŞINIMI AURORA.

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

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

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

DAİRESEL HIZLANDIRICILAR

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

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

Nötr (yüksüz) bir için, çekirdekte kaç proton varsa çekirdeğin etrafındaki yörüngelerde de o kadar elektron dolaşır.

Dielektrik malzeme DİELEKTRİK ÖZELLİKLER. Elektriksel Kutuplaşma. Dielektrik malzemeler. Kutuplaşma Türleri Elektronik kutuplaşma

Kimyafull Gülçin Hoca

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

MIT 8.02, Bahar 2002 Ödev # 4 Çözümler

İNSTAGRAM:kimyaci_glcn_hoca

DİELEKTRİKLER 5.1 ELEKTRİK ALANI İÇİNDEKİ YALITKAN ATOMUNUN DAVRANIŞI

ATOMUN YAPISI ATOMUN ÖZELLİKLERİ

ELEKTRİKSEL POTANSİYEL

GENEL KİMYA. Yrd.Doç.Dr. Tuba YETİM

AccTR Virtual Institute of Accelerator Physics. The Physics of Particle Accelerators An Introduction. Chapter : 3.12, 3.13

2-MANYETIK ALANLAR İÇİN GAUSS YASASI

TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi. chem.libretexts.org

TİTREŞİM VE DALGALAR BÖLÜM PERİYODİK HAREKET

ATOM NEDİR? -Atom elementin özelliğini taşıyan en küçük parçasına denir. Her canlı-cansız madde atomdan oluşmuştur.

FZM443 PARÇACIK HIZLANDIRICILARI. Prof. Dr. Ömer Yavaş

ATOMUN KUANTUM MODELİ

BÖLÜM HARMONİK OSİLATÖR

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

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

Parçacık Hızlandırıcılarında RF ve Güç

Proton, Nötron, Elektron

SCHRÖDİNGER: Elektronun yeri (yörüngesi ve orbitali) birer dalga fonksiyonu olan n, l, m l olarak ifade edilen kuantum sayıları ile belirlenir.

İlk elektronik mikroskobu Almanya da 1931 yılında Max Knoll ve Ernst Ruska tarafından icat edilmiştir.

MANYETIZMA. Manyetik Alan ve Manyetik Alan Kaynakları

ATOMUN YAPISI. Özhan ÇALIŞ. Bilgi İletişim ve Teknolojileri

KİM-117 TEMEL KİMYA Prof. Dr. Zeliha HAYVALI Ankara Üniversitesi Kimya Bölümü

GENEL KİMYA. 4. Konu: Kimyasal türler, Kimyasal türler arasındaki etkileşimler, Kimyasal Bağlar

Aşağıda verilen özet bilginin ayrıntısını, ders kitabı. olarak önerilen, Erdik ve Sarıkaya nın Temel. Üniversitesi Kimyası" Kitabı ndan okuyunuz.

Serüveni PERİYODİK ÖZELLİKLER DEĞİŞİMİ

YAŞAMIMIZDAKİ ELEKTRİK

FİZİK 2 ELEKTRİK VE MANYETİZMA Elektrik yükü Elektrik alanlar Gauss Yasası Elektriksel potansiyel Kondansatör ve dielektrik Akım ve direnç Doğru akım

GENEL KİMYA. 4. Konu: Kimyasal türler, Kimyasal türler arasındaki etkileşimler, Kimyasal Bağlar

RÖNTGEN FİZİĞİ 6. X-Işınlarının madde ile etkileşimi. Doç. Dr. Zafer KOÇ Başkent Üniversitesi Tıp Fak

FİZ217 TİTREŞİMLER VE DALGALAR DERSİNİN 2. ARA SINAV SORU CEVAPLARI

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

Bölüm 8: Atomun Elektron Yapısı

1. ATOMLA İLGİLİ DÜŞÜNCELER

FİZİK II - Final UYGULAMA

Akım ve Direnç. Bölüm 27. Elektrik Akımı Direnç ve Ohm Kanunu Direnç ve Sıcaklık Elektrik Enerjisi ve Güç

Alternatif Akım; Zaman içerisinde yönü ve şiddeti belli bir düzen içerisinde değişen akıma alternatif akım denir.

FİZK Ders 8 MANYETIK ALAN. Dr. Ali ÖVGÜN. DAÜ Fizik Bölümü.

RADYOTERAPİ CİHAZLARINDAKİ GELİŞMELER. Hatice Bilge

SU Lise Yaz Okulu 2. Ders, biraz (baya) fizik. Dalgalar Elektromanyetik Dalgalar Kuantum mekaniği Tayf Karacisim ışıması

Ankara Üniversitesi, Nükleer Bilimler Enstitüsü ALFA IŞINLARI

Elementlerin büyük bir kısmı tabiatta saf hâlde bulunmaz. Çoğunlukla başka elementlerle bileşikler oluşturmuş şekilde bulunurlar.

RÖNTGEN FİZİĞİ 5 X-ışınlarının özellikleri, kalitesi ve kantitesi. Doç. Dr. Zafer KOÇ Başkent Üniversitesi Tıp Fak

Nötronlar kinetik enerjilerine göre aşağıdaki gibi sınıflandırılırlar

FİZK Ders 5. Elektrik Alanları. Dr. Ali ÖVGÜN. DAÜ Fizik Bölümü.

Newton un ikinci yasası: Bir cisim ivmesi cisim üzerine etki eden toplam kuvvet ile doğru orantılı cismin kütlesi ile ters orantılıdır.

BÖLÜM 2 ATOMİK YAPI İÇERİK. Atom yapısı. Bağ tipleri. Chapter 2-1

HPFBU. MADX III (Methodical Accelerator Design) Yöntemli Hızlandırıcı Tasarımı Programı

MADDENİN YAPISI VE ÖZELLİKLERİ ATOM

RADYASYON FİZİĞİ 1. Prof. Dr. Kıvanç Kamburoğlu

Malzeme Bilgisi Prof. Dr. Akgün ALSARAN. Temel kavramlar Atomsal yapı

BÖLÜM 2 ATOMİK YAPI İÇERİK. Atom yapısı. Bağ tipleri. Chapter 2-1

METRİ HIZLANDIRICILAR. Mehmet YÜKSELY ÇÜ FBE Fizik ABD.

Fizik 101-Fizik I Dönme Hareketinin Dinamiği

Işınım Kaynakları İçin Benzetim Programları I: SPECTRA

MOLEKÜL GEOMETRİSİ ve HİBRİTLEŞME. (Kimya Ders Notu)

Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü Bahar Yarıyılı 8. Bölüm özeti Ankara A. OZANSOY

FZM 220. Malzeme Bilimine Giriş

YKS KİMYA Atom ve Periyodik Sistem 6

ψ( x)e ikx dx, φ( k)e ikx dx ψ( x) = 1 2π θ açısında, dθ ince halka genişliğinin katı açısı: A. Fiziksel sabitler ve dönüşüm çarpanları

Elektromanyetik Alan Kaynakları (1)

PARÇACIK HIZLANDIRICILARININ BİLİME KATKILARI

X IŞINLARININ ELDE EDİLİŞİ

Ankara Üniversitesi Fen Fakültesi Fizik Bölümü 10. Hafta. Aysuhan OZANSOY

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

BÖLÜM 4: MADDESEL NOKTANIN KİNETİĞİ: İMPULS ve MOMENTUM

FİZİK 4. Ders 10: Bir Boyutlu Schrödinger Denklemi

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

Transkript:

- Klaus Wille (1.3.5-1.3.6-1.3.7) 2 Temmuz 2012 HF Çalışma Topluluğu

İçerik 1.3.5 - Doğrusal Hızlandırıcılar 1 1.3.5 - Doğrusal Hızlandırıcılar 2 3

Doğrusal Hızlandırıcılar Tüm elektrostatik hızlandırıcılar Corona oluşumu ve deşarjı ile Corona oluşumunda; sınırlandırılmaktadır. Güçlü bir elektrik alan etkisindeki nötr atom veya moleküller elektron tarafından iyonlaştırılır. Böylece pozitif iyon veya serbest elektron oluşur. Elektrik alan bu zıt yüklü parçacıkları zıt yönlerde hızlandırarak parçacıkların birleşmesine ve enerji aktarımına engel olur. Güç kaybına neden olarak kullanılacak gücün büyüklüğünü sınırlar. Akım kıvılcıma ve voltaj çökmesine neden olarak exponansiyel olarak artar.

Doğrusal Hızlandırıcıların Tarihi Gelişimi Ising 1925 yılında doğrudan uygulanan voltaj yerine hızla değişebilen yüksek frekanslı voltajların kullanılmasını önerdi. 1928 de Wideroe Ising in önerdiği prensibe dayalı ilk doğrusal hızlandırıcının yapımı ve testini başarıyla tamamladı. 1931 de Sloan ve Lawrence 1.3 MeV enerjili doğrusal hızlandırıcının tasarım ve testini gerçekleştirdiler. Beams 1933 te doğrusal hızlandırıcılar için ilk kovuk yapısını (dalga kılavuzları) geliştirdi. Hansen and Varian kardeşler 1937 de 10 GHz frekansa kadar çıkabilen ilk klystronu geliştirdiler. 1946 da Alvarez protonlar ve ağır iyonlar için ilk DTL rezonant kovuk yapıyı geliştirdi.

Wideroe nin Doğrusal Hızlandırıcısı Doğrusal hızlandırıcı, demetin hareket doğrultusu boyunca sıralanmış RF kaynağına bağlı bir dizi sürüklenme (drift) tüplerden meydana gelmektedir. RF kaynağı yüksek frekansta bir alternatif voltaj sağlamaktadır. U (t) = U max sin ωt (1) İlk yarım periyotta birinci drift tüpe uygulanan voltaj iyon kaynağını terk eden parçacığı hızlandırır. Demet birinci ve ikinci tüplerin arasına geldiğinde tekrar hızlanır. Bu süreç her bir drift tüp için kendini tekrarlar. i. drift tüpün sonunda q yüklü parçacığın ulaşmış olduğu enerji E i = i q U max sinψ 0 (2) fazı ψ 0 : parçacığın tüpler arasındaki boşlukları geçerken görmüş olduğu ortalama RF voltaj

Doğrusal Hızlandırıcıların Özellikleri Tüpleri kullanarak çok yüksek bir voltaja ihtiyaç olmadan parçacıkları hızlandırabilir. Bu, RF hızlandırıcıların elektrostatik hızlandırıcılara göre avantajlı yönlerinden biridir. Parçacığın ivmelenmesi sırasında hız sürekli artarken alternatif voltajın frekansı sabit kalmaktadır. Hız artıyorsa, sürüklenme tüpleri arasındaki boşlukların giderek artması gerekir. i. sürüklenme tüpündeki m kütleli parçacığın hızı V i olmak üzere enerjisi E i = 1 2 m ν2 i (3) Sabit RF frekansında sürüklenme tüplerinin uzunluğu hıza bağlı olarak artmaktadır. İki sürüklenme tüpü arasındaki uzaklık l = ν i τ RF 2 = ν i = ν i λ RF 2 ν RF 2c = β i ν RF 2 (4)

Doğrusal Hızlandırıcıların Özellikleri (2) ve (3) denklemlerini l = ν i/2 λ RF bağıntısında yerine yazarsak; ν i = 2 E 2 i q Umax sin ψ0 m = m = l = ν 1 i q Umax sin ψ0 RF 2 m Sürüklenme tüpleri arasındaki hızlandırma boşlukları i ile orantılı olarak artmaktadır. Parçacıklara aktarılan enerji ψ 0 fazına ve U max gerilimine bağlıdır. Çok sayıda evrenin kullanılması U max gerilim değerinde sapmaya neden olur. Bu durumda parçacığın hızı sürüklenme bölümlerinin uzunluğu tarafından belirlenen tasarım hızı ile uyum sağlamaz. Dolayısıyla RF voltajına bağlı olarak bir faz kayması meydana gelir. Bu şartın sağlanması için ψ 0 < π/2 seçilmelidir. Bu durumda etkin voltaj değeri U eff < U max olur.

Doğrusal Hızlandırıcıların Özellikleri Ortalama RF fazı ve etkin gerilim değeri ψ = ψ 0 ψ U eff = Umax (ψ 0 ψ) < U max sin ψ 0 Figure: Doğrusal hızlandırıcılarda iki sürüklenme bölgesi arasındaki zamana bağlı RF voltajına dayalı faz odaklanması Pratikte tüm parçacıklar ψ 0 faz değerine yakın değerde salınım yaparlar. Bu faz odaklanması olarak bilinir ve RF gerilimi kullanılarak tasarlanan hızlandırıcılar için önemli bir kuraldır. ψ < ψesin 0 iseçavlan parçacık daha The Physics önce of varır. Particle Accelerators

Siklotron 1.3.5 - Doğrusal Hızlandırıcılar Siklotron, proton, döteron, Helyum çekirdeği gibi yüklü tanecikleri aşırı büyük gerilimler gerekmeden sinüzoidal RF gerilimi sayesinde yarı-dairesel magnetler (Dee) içinde spiral çizerek yüksek hızlara çıkarmakta kullanılan magnetik rezonanslı hızlandırıcıdır. İlk siklotron 1930 da Lawrence tarafından geliştirildi.

Siklotron 1.3.5 - Doğrusal Hızlandırıcılar Siklotron; Bobinlerinden sabit akım geçen büyük bir H-magnetten oluşur. Magnet kutupları arasında içinde D şeklinde elektrotlar olan bir vakum odacığı bulunmaktadır. Hızlandırma alanı bu Dee olarak adlandırılan iki elektrot arasında üretilir. Manyetik alan sabit olup yarıçap hıza bağlı olarak artar.

Siklotron 1.3.5 - Doğrusal Hızlandırıcılar Siklotronun çalışma prensibi manyetik alanın, dolayısıyla dolanım frekansının sabit olması ilkesine dayanır. Jeneratörden elde edilen RF voltajı D şeklindeki iki elektrota uygulanır. Parçacıklar merkezdeki iyon kaynağından yayınlanırlar. Parçacıklar Dee arasındaki boşluklarda hızlandırılırlar. Bu durumda ω z = ω RF olmaktadır. Parçacıklar siklotronda enerji kazandıkça magnetin kenarına ulaşana kadar sarmal hareket yaparlar.

Siklotron Hareket Denklemi Konumun x - y bileşenleri yörünge düzlemine uzanmış olup manyetik alanın eksene dik yalnızca bir bileşeni vardır (B Z ). B = 0 0 B z Hareket denklemini E = 0 olması durumunda Lorentz kuvveti bağıntısından elde edebiliriz. F = ṗ= dt d (m v) = e v x B Parçacık hareketinin x -y düzlemiyle sınırlı olduğunu varsayarsak momentum p = px p y = m vx v y Bz v y0 = ṗ= e v x B z 0 0 p x = m v x = e v y B z ve p y =m v y = e v x B z

Siklotron 1.3.5 - Doğrusal Hızlandırıcılar Bu bağıntıların tekrar türevini alarak hareket denklemini elde etmiş oluruz. v x + e2 m 2 B 2 z v x = 0 Denklemlerin çözümü; v y + e2 m 2 B 2 z v y = 0 v x (t) = v 0 cos ω z t v y (t) = v 0 sin ω z t şeklindedir. Dolanım (revolution) frekansı ise; ω z = e m Bz şeklinde tanımlanır. Dolanım frekansı parçacığın hızından bağımsızdır.

Sinkrosiklotron Siklotronda yüksek enerjilerde siklotron frekansı artan kütleyle birlikte ters orantılı olarak azalmaktadır. RF frekansı da uygun olarak artırılırsa daha yüksek enerjilere ulaşılabilir. Bu prensibe uygun olarak tasarlanan hızlandırıcılar sinkrosiklotron olarak adlandırılırlar. Sinkrosiklotronda parçacıklara yörüngeler üzerinde gittikçe azalan dönüş frekansları ile uyumlu ve eşzamanlı olarak manyetik alan etki eder. Parçacıkların ışık hızına yakın bir hıza ulaşmaları sonucu bağıl kütleleri gittikçe artar ve buna bağlı olarak yörünge hızları ile dolanım frekansları azalır.

İzo-siklotron 1.3.5 - Doğrusal Hızlandırıcılar İzosiklotronda siklotron frekansı sabit iken radyal manyetik alan değişkendir. ω z = q Bz (r (E)) m(e) = sabit r (E) : yörüngeyarıçapı E : parçacığın enerjisi q : parçacığın enerjisi Manyetik alanın değişken olması parçacığın izlediği yörüngenin momentuma bağlı bir fonksiyon olmasına yol açar. İzokron siklotronda sürekli demet yapısı ve daha yüksek demet yoğunluğu sağlanmaktadır.

Mikrotron 1.3.5 - Doğrusal Hızlandırıcılar Mikrotronda parçacıklar belirli bir bölgede, sabit bir manyetik alan altında değişken yarıçaplarda döndürülerek hızlandırıcı bir kaviteden birçok defa geçirilirler ve böylece enerji kazanırlar. Siklotron prensibi (devir frekansının sabit olması) elektronlara uygulanamamaktadır. Önemli olan devir frekansının sabit olması değil, parçacığın her devirde aynı RF voltaj frekansını görmesidir.

Mikrotron 1.3.5 - Doğrusal Hızlandırıcılar Mikrotronda yüksek hızlandırıcı frekansın seçilir ve enerji kazancının parçacığın toplam yörüngesi RF dalga boyunun tam katları olacak şekilde ayarlanır. Bu nedenle mikrotronlara elektronlar için özelleştirilen siklotronlar denebilir. Dolanım zamanındaki artış RF frekansın periyodunun tam katı olmalıdır. Mikrotronu fonksiyonel hale getirmek için bir turdaki enerji artışı; elektronlar için E = 511keV protonlar için E p = 938MeV şeklindedir.

Mikrotron Türleri Mikrotronun Klasik mikrotron Çift taraflı (double-sided) mikrotron Racetrack mikrotron Hexatron şeklinde çeşitleri mevcuttur. Figure: Klasik mikrotron (solda) ve Racetrack mikrotron (sağda)

Mikrotronun Çalışma Prensibi Elekronlar, bir elektrotdan yayınlanır ve injektör mıknatıs onları ilk olarak hızlandırıcı bölgeye yönlendirir. Hızlandırıcı bölgenin sonunda elektronlar onları 180 saptıran bir eğici magnete yönlendirilirler. Elektronlar, kendilerini aynı hızlandırıcı kısıma geri saptıracak ikinci bir eğici mıknatısa ulaşana kadar doğrusal bir yol izlerler. Bu işlem defalarca elektronlar enjektör mıknatısa gelip deney cihazlarına saptırılana kadar tekrarlanır.

Mikrotronun Çalışma Prensibi l iki eğici (dipol) magnet arasındaki aralık, i. dolanımda magnetlerin eğme yarıçapı R i ve hızları v i olmak üzere yörüngeyi tamamlamak için geçen zaman; t i = 2 (π R i + l) v i şeklinde tanımlanır. Merkezcil kuvvet Lorentz kuvvetine eşit olduğundan eğme yarıçapı R i = v i m i c2 e c 2 B = v i e c 2 B E i Bu bağıntıyı yörüngenin tamamlanması için gereken zaman bağıntısında yerine yazarsak i. ve (i+1). dolanımlar arasındaki periyot farkı t = t i+1 t i = 2 π e c 2 B (E i+1 E i ) = olur. Bu fark tam sayı olmalıdır. ( t = k/v RF ) Dolayısıyla dolanım başına elektronun enerjisi 2 π e c 2 B E E = k e c2 B 2 π v RF olur.

Son.. 1.3.5 - Doğrusal Hızlandırıcılar TEŞEKKÜRLER