Ömer YAVAŞ - Parçacık Hızlandırıcılarının Fiziği ve Tipleri

Türk Fizik Derneği
IX. Parçacık Hızlandırıcıları ve Dedektörleri Yaz Okulu
UPHDYO-IX, 10-15 Eylül 2013, Bodrum
Parçacık Hızlandırıcılarının
Fiziği ve Tipleri
Prof. Dr. Ömer Yavaş
Ankara Üniversitesi
Hızlandırıcı Teknolojileri Enstitüsü
I. UPHDYO (Ankara Üniversitesi, 2005)
Hızlandırıcı Kogreleri (UPHUK) ve Yaz Okulları (UPHDYO)
3


UPHUK Kongreleri: 2001, 2004, 2007, 2010, 2013
UPHDYO Yaz Okulları: 2005,2006,2007,2008,2009,2010,2011,2012,2013
UPHUK IV (Bodrum, 2010)
UPHDYO VIII (Bodrum, 2012)
Parçacık Hızlandırıcıları ve Tipleri
Parçacık Hızlandırıcıları:
Yüklü parçacık demetlerinin (elektron, pozitron, proton…) oluşturulmasını
ve belirli bir demet yapısı içinde elektrik alan (E) kuvveti ile hızlandırılmasını
ve magnetik alan (B) kuvveti ile ise yönlendirilmesini ve odaklanmasını
sağlayan cihazlardır.
Parçacık Hızlandırıcılarının Tipleri:
 DC veya RF Doğrusal Hızlandırıcılar (LINear Accelerator, LINAC)
 Dairesel Hızlandırıcılar (Circular Accelerators)
Betatron
Mikrotron
Siklotron
Sinkrotron
How an accelerator works (from CERN Web page)
Electric fields and radiofrequency cavities accelerate particles inside
accelerators, while powerful magnets focus or steer the particle beams.
Accelerators were invented in the 1930s to provide energetic particles to
investigate the structure of the atomic nucleus. Since then, they have been
used to investigate many aspects of particle physics. Their job is to speed
up and increase the energy of a beam of particles by generating electric
fields that accelerate the particles, and magnetic
fields that steer and focus them.
An accelerator comes either in the form of a ring (a circular accelerator),
where a beam of particles travels repeatedly round a loop, or in a straight
line (a linear accelerator), where the particle beam travels
from one end to the other.
At CERN a number of accelerators are joined together in
sequence to reach successively higher energies.

sA
Parçacık Hızlandırıcılarında
Ana Donanımlar, Sistemler ve Önemli Kavramlar
Ana Donanımlar ve Sistemler
Önemli Kavramlar
 Parçacık kaynakları (termiyonik, RF gun…)  Demet yapısı (sürekli, kesikli)
 Paketleyiciler
 Demetin akımı (ortalama, pik)
 Paketçik yükü
 RF kaviteler (Nc, Sc)
 RF güç kaynakları (Klaystron, IOT, SSA vb)  Mikro ve makro puls
(atma) uzunluğu
 Bükücü magnetler (dipol)
 Demetin gücü
 Odaklayıcı magnetler (kuadropol)
 Demet ömrü (lifetime)
 Düzenleyici magnetler (sextupol)
 Enine demet dinamiği
 Diyagnostik (teşhis) sistemleri
 Boyuna demet dinamiği
 Dedektör sistemleri
 Demet kararlılığı
 Vakum sistemleri
 Zayıf ve kuvvetli odaklama
 Işınlık (luminosite)
 Kontrol sistemleri
 Kütle merkezi enerjisi
 Radyasyon güvenliği sistemleri
Demet enerjisi (E)
keV- TeV
 Demet durdurma sistemleri
Demet akımı (i)
Atma (puls) süresi
Demet yaşam süreleri
mikro A - kA
Sürekli - ps
mikro s- haftalar
Parçacık Hızlandırıcılarında
Enerji, Momentum ve Akım
Enerji eletronvolt (eV) cinsinden tanımlanır: 1 eV =1.6×10^−19 J, 1 J = 10^7 erg
Durgun kütle enerjisi
Toplam göreli enerji
Göreli momentum
Göreli kinetik enerji
Akım (Dairesel Hızlandırıclar): i
E 0  m.c 2
E   .m.c 2


p   .  . m.c
E kin  E  E 0  mc 2 (  1)
 e.Z .N . f rev
e yük, Z kütle numarası, N parçacık sayısı, f dolanım frekansı


Burada N demet akısıdır.
Akım (Doğrusal Hızlandırıcılar): i  Z .e. N
UPHDYO-IX’da İlgili Bazı Dersler…
L. Şahin: Parçacık Kaynakları
İ.T.Çakır: Hızlandırıcı Fiziğine Giriş
Ö. Mete: Enine Demet Dinamiği
A. Aksoy: Boyuna Demet Dinamiği
Ö. Karslı: Hızlandırıcılarda RF Güç Sistemleri
E. Ganioğlu: Hızlandırıcılarda Magnet Sistemleri
A. Alaçakır: Demet Teşhis Yöntemleri
E. Recepoğlu: Siklotron ve Uygulamaları
Einstein (1905) ve Rutherford (1911)
9
•
Albert Einstein ve Parçacık Hızlandırıcıları (1905)
•
•
•
•
Rölativite: Rölativistik parçacıklar ve demetler...
Fotoelektrik Olay: Parçacık kaynakları...
Brown hareketi: Demetlerin yayınımı (emittans)
Kütle-Enerji Eşdeğeri: Yeni parçacıkların kütle limitleri.. (E=mc2 )
Rutherford Saçılma Deneyi (1911)
İnce altın levhayı radyoaktif atomların yayınladıkları alfa ışınlarıyla
bombardımana tabii tutan Lord Ernest Rutherford gözlemlerine ve
deneylerinin sonuçlarına dayanarak ATOMUN YAPISINI elektronların
pozitif yüklü bir çekirdeğin etrafında elektriksel çekim kuvvetinin etkisi
ile dolanmakta olduğu dinamik bir model olarak açıkladı.
(Doğru Atom Modeli…)
Parçacık Hızlandırıclarının Geçmişi
10
1907 Schottky: Atomik Spektrum ve Sinkrotron Teorisi .
1909 Milikan: Elektronun yükü
1913 Frank-Hertz: Atomların uyarılması ve enerji düzeyleri
1920 Greinaker: İlk kafes (cascade) jeneratörü
1922 Wideroe: İlk RF Linak
1928 Van de Graff: İlk yüksek gerilim jeneratörünün yapılması.
1932 Lawrence: İlk Siklotron
1941 Kerst,: İlk Betatron
1941 Touschek: Depolama halkası formülasyonu
1945 Blewett: İlk Sinkrotron ışınımı
1947 Alvarez: İlk Proton Linakı
1951 Motz: İlk Wiggler magnet
1954 R.R. Wilson: 1.1. GeV’lik elektron sinkrotronu
1954 : CERN’ün Kuruluşu
1959: 28 GeV’lik CERN Proton Sinkrotronunun çalışması
A. Einstein (1879-1955)
Hızlandırıcıların Yeri
11
Elektromagnetik spektrum ve
Parçacık Hızlandırıcıları
12
Çarpıştırıcılar
Sinkrotron ışınımı
Parçacık Hızlandırıcılarının Tipleri

Yüksek Gerilim Hızlandırıcıları ( High Voltage Accelerators )
Parçacıklar, oluşturulan DC potansiyel farkını bir kez geçerek hızlanırlar
E=qV



Ekin   Fds
İndüksiyon Hızlandırıcıları ( Induction Accelerators )
Parçacıklar, şiddeti zamanla değişen manyetik alan tarafından indüklenen elektrik alan
ile hızlandırılırlar. Doğrusal veya dairesel olabilirler.
Lineer Hızlandırıcılar ( Linear Accelerators )
Parçacıklar, doğrusal olarak sıralanmış enerji kazanım bölgeleri olan RF kaviteleri
gereçerek hızlanırlar.
Dairesel Hızlandırıcılar ( Circular Accelerators )
Parçacıklar, eğici (dipol) magnetler aracılığı ile tutuldukları kapalı bir yörüngede RF
alanlar sayesinde hızlandırılırlar.
Dairesel Hızlandırıcıların Çeşitleri
 Betatron:
Hafif parçacıklar için kullanılan sabit yarıçaplı
dairesel indüksiyon hızlandırıcıdır.
 Mikrotron ( Microtron )
Parçacık demetini yörüngenin tek noktasına uygulanan RF alandan
defalarca geçirilerek hızlandırıldığı dairesel hızlandırıcıdır.
 Siklotron ( Cyclotron )
Proton veya ağır iyonların sinüsel RF alan sayesinde
dairesel magnetler arsında spiral yörüngeler üzerinde
hızlandıran dairesel hızlandırıcıdır.
 Sinkrotron ( Synchrotron )
Parçacıkların, sabit R yarıçaplı yörüngede tutulduğu ve
RF alanlarla hızlandırıldığı dairesel hızlandırıcıdır.
ESRF, France
Doğrusal Hızlandırıcılar
Yüksek Gerilim (DC) Doğrusal Hızlandırıcılar:
e-
K= q V
V
E
Doğrusal Hızlandırıcılar
Cockcroft-Walton (Cascade) Jeneratörleri:
Kafes jeneratörlerin
çalışması;
bir sığanın levhaları
arasındaki
potansiyel farkını,
gerilim çoğaltıcı
devre ile istenilen
düzeye çıkarma
ilkesine dayanır.
Bu şekilde düzenlenen 2N tane kapasitör ile, yükleme gerilimi N katına
çıkarılabilir. Sonuç olarak, anahtarlama nedeni ile atmalı demet elde edilmektedir.
Bu metoda dayanarak Cockcroft ve Walton, uygun yüksek gerilim teknikleri
geliştirmiş ve birkaç milyon voltluk gerilimlere ulaşan yüksek enerjili
parçacık hızlandırıcıları inşa etmişlerdir.
Doğrusal Hızlandırıcılar
Van de Graff Jeneratörleri:
Bir hidrojen iyonu,
Van de Graff jeneratörü
kullanılarak hızlandırılırsa:
q = 2e
V
Ekin  2eV
Doğrusal Hızlandırıcılar
RF Linaklar (Wideroe):
Doğrusal hızlandırıcıların çalışma
prensibi, salınımlı alanlara ve
sürüklenme tüplerine dayanır.
Bu metoda göre parçacıklar RF
alanın periyodik olarak
uygulanması ile hızlandırılır.
Wideroe, bu tür bir hızlandırıcı ile
potasyum iyonlarını 50 keV’ ye
kadar hızlandırmıştır
(1928, İlk RF Linak, 7 MHz)
RF alan bölgeleri arasından sürüklenme tüpleri mevcuttur.
Sürüklenme tüplerinin boyları:
Li 
1
vi Trf
2
Burada;
v parçacığın hızı,
T ise RF alanın periyodudur (RF frekansının tersi)
1.3 GHz Sc
TESLA RF Kavite
(2000, DESY, Germany)
Etkin hızlanma için parçacık hızı
ile alanın faz hızı aynı mertebede olmalıdır.
Dairesel Hızlandırıcılar
DESY (Almanya) Hızlandırıcı Merkezi (DORIS+PETRA+HERA)
CERN Hızlandırıcıları
(PS+SPS+LHC)
Fermilab
(USA)
TEVATRON
Dairesel Hızlandırıcılar
Betatron: İndüksiyon hızlandırıcısı, E alanı indüsiyon ile elde edilir.

1d 
 E  
B
c dt
mv 2
r
e
 vB  0
c

1 d
E
ds



c dt
d
dB ( R)
 R 2
dt
dt
p 
e
dB
e
R   dt  RB
c
dt
c
pmax
Kerst Betatronu:
R= 1.23 m
B= 8.1 kG
e
 RBmax ( R )
c
İlk Betatron (Kerst, 1943)
Pmax  298
MeV
c
Dairesel Hızlandırıcılar
Mikrotron:
1 eB
eB


r cp mc2

2r 2mc 

v
e B
Parçacıklar rölativistik enerjilere ulaşırken,
eşzamanlılık da bozulmaktadır. Hızlandırmada
sürekliliği korumak için bazı özel şartlar sağlanmalıdır.
Kaviteden n. geçişini yapan bir parçacığın
hızlandırmadan dolayı enerjisi artar. ( n+1 ).
tur ve n. tur için dolanım süreleri karşılaştırıldığında
fark enerjideki değişim ile orantılıdır.
Dolanım zamanındaki artış RF frekansın
periyodunun tam katı olmalıdır.
Mikrotronu fonksiyonel hale getirmek için
ulaşılması gereken enerjiler aşağıdaki gibidir.
Protonlar için:
E p  938MeV
Elektronlar için:
Ee  511keV
Mikrotron elektronları hızlandırmak için çok daha uygun bir hızlandırıcıdır.
Dairesel Hızlandırıcılar
Siklotron:
Proton gibi daha ağır parçacıkların başarılı bir şekilde
hızlandırılmasında, mikrotronun eşzamanlılık şartının çok
katı olduğu, 1930 yılında Lawrence ve Edlefsen
tarafından siklotron prensibinin araştırmaları sırasında
fark edilerek ispatlanmıştır. Siklotron ilk olarak, Lawrence
ve Livingston tarafından 1932 yılında inşa edilmiştir

TAEK proton siklotronu
(30 MeV, 2012)
2r 2mc 

v
e ZB
f rev 
Ekin
ZeB
 sabit  f rf
2mc
1 2 (cp) 2 Z 2e2 B 2 R 2
 mv 

2
2mc2
2mc2
Proton demeti için:
   
E kin MeV   0 .48 B 2 kG 2 R 2 m 2
Gelişmiş tipleri:
Sinkro-siklotron
İsokron-siklotron
(~500 MeV)
Dairesel Hızlandırıcılar
Sinkrotron: Siklotron prensibinde, magnet ağırlıkları ve maliyetleri büyük olacağından
maksimum parçacık enerjisi birkaç yüz MeV mertebesinde kalmıştır.
Daha yüksek enerjilere, yörünge yarıçapı R sabit tutularak
ulaşılabilmektedir. Bu durumda, artık tek bir magnete ihtiyaç kalmamıştır
ve parçacık yörüngesi boyunca küçük magnetler kullanılabilmektedir.
Yörünge yarıçapı sabit olduğunda tasarım şartı:
Eşzamanlılık koşulu:
f rf 
ZeB
2mc
f rev (t ) 
ZecB
 (t ) ~  (t )
2cp
RF frekansının dolanım frekansına oranı (harmonik sayısı, h):
Sinkrotronda ulaşılacak maksimum enerji: cpmax 
1 eB

 sabit
R cp
f rf  hf rev
Ekin ( Ekin  2mc2 )  C p BkGRm
Cp= e = 0.02997926 GeV / kGm
Dairesel Hızlandırıcılar
Sinkrotron:
Birbirinden bağımsız olarak Chrisofilos ve Courant tarafından 1952’ de
güçlü odaklamanın keşfiyle daha verimli sinkrotronlar yapılmıştır.
Sinkrotronlar protonları ve iyonları olduğu gibi elektronları da yüksek
enerjilere kadar hızlandırmaktadır. Günümüzde büyük ölçekli
siknrotronlarda süperiletken magnetlerin de kullanılması ile TeV (1000
GeV) mertebesinde enerjilere ulaşılabilmektedir
CERN LEP: 95 GeV elektron demeti
CERN SPS: 450 GeV proton
DESY HERA: 920 GeV proton
Fermilab TEVATRON: 1000 GeV proton
CERN LHC: 7000 GeV proton
(C=27 km, B=8 Tesla)
Parçacık Hızlandırıcıları ve Tipleri
Depolama Halkası: Demet enerjisi sabit olarak korunan dairesel
hızlandırıcı (sinkrotron). Her sinkrotron ışınımı tesisi bir depolama
halkası bulundurur. Bu genel olarak sabit enerjili bir sinkrotrondur.
Bilgi: Örneğin Türk Hızlandırıcı Merkezi Sinkrotron Işınımı tesisi (TAC SR) 546 m
çevreli ve 3 GeV enerjili bir elektron sikrotronuna (depolama halkasına)
dayanacak.
DORIS-III
HASYLAB, DESY, Germany, 4.45 GeV
TAC SR Facility, 3 GeV
Ö. Yavaş, UPHDYO-IX, Bodrum
Siklotron ve Sinkrotronların Karşılaştırılması
Hızlandırıcı Teknolojileri
Neden Jenerik Teknoloji?
29












Metal ve yüzey işleme sistem ve teknolojileri
Isıtma ve Soğutma (He, su, azot v.b.) sistem ve teknolojileri
Parçacık üretimi sistem ve teknolojileri
Magnet sistem ve teknolojileri
Vakum sistem ve teknolojileri
RF kavite ve güç sistem ve teknolojileri
Kontrol sistem ve teknolojileri
Radyasyon güvenliği (kişi, ortam ve makine) sistem ve teknolojileri
Optik sistem ve teknolojileri
Kablolama sistem ve teknolojileri
Dedektör ve veri alınması sistem ve teknolojileri
Veri iletimi ve işletimi sistem ve teknolojileri
Hızlandırıcıların Uygulamaları
(~30.000 hızlandırıcı)
30

Parçacık Fiziği

Nükleer Fizik

İkincil Demetler

Nötron Kaynağı

Sinkrotron Işınımı

Serbest Elektron Lazeri

İyon İmplantasyonu

Radyoterapi

Nükleer Tıp

Malzeme Bilimi

Yarı İletkenler

Nanoteknoloji

Biyoteknoloji

Genetik

Arkeoloji

Ulusal Güvenlik

Gıda Güvenliği

Madencilik

Enerji Üretimi
Hızlandırıcıya dayalı ışınım kaynakları
31
Hücre çekirdeği
Prof. Dr. Engin Arık (2006)
(1948-2007)
Türkiye’nin önce şunu benimsemesi lazım:
Bir ülke Bilim ve Teknolojisini kendi geliştirmeden,
kendi üretmeden, ne ekonomik ne sosyal
ilerlemesine imkan yok!
Kopyalayarak hiçbir ülke ileri ülkeler safhasına
geçmemiştir…
Bilim şehitlerimizi saygıyla ve rahmetle anıyoruz…
Duyuru
34
VIII. International Accelerator School on Linear Collider
http://thm.ankara.edu.tr/lcs2013
Son başvuru tarihi: 25 Eylül 2013
Kaynaklar




An Introduction to The Physics of High Energy Accelerators
D. A. EDWARDS M. J. SYPHERS ( 1993 )
An Introduction to Particle Accelerators
EDMUND WILSON ( 2001 )
Particle Accelerator Physics
Basic Principles and Linear Beam Dynamics
HELMUT WIEDEMANN ( I. Baskı: 1993, II. Baskı: 2007 )
Parçacık Hızlandırıcıları Ders Notları
Ö. YAVAŞ (Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Bölümü, 2009)

İlk 8 UPHDYO Ders Notları: http://thm.ankara.edu.tr

İlk 4 UPHUK Bildirileri: http://thm.ankara.edu.tr
36






Bodrum Belediye Başkanlığına
TFD Başkanlığına
Düzenleme Kurulu üyelerine
Danışma Kurulu üyelerine
Bilim Kurulu üyelerine ve
Değerli katılımcılara
teşekkür ediyorum.