parçacık hızlandırıcıları

1
HIZLANDIRICILARIN GELİŞİMİ
1.1 1890-1940 YILLARI ARASI
On dokuzuncu yüzyıl başında fizikçiler Crookes tüpleri ve içinde elektrot bulunan
boşaltılmış cam sistemlerle deneyler yaptılar. Bu elektrotlar arasında yeteri derecede büyük
gerilim uygulandığında elektronlar bir akım meydana getirir. J.J Thomson 1890’da elektronu
keşfi sırasında bir Crookes tüpü kullandı. Röntgen “X” ışınlarını 1896’da bir Crookes tüpü
kullanarak keşfetti. Daha sonra “X” ışınları tüpü Coolidge tarafından kullanılan pratik bir alet
haline getirildi.
Rutherford 1920’deki bir konferansta nükleer fizik araştırmalarında kullanılması için
parçacık hızlandırıcılarının geliştirilmesini önerdi. Atom çekirdeğinin anlaşılmasında daha
ileri gelişmeler için çok daha yüksek enerjili parçacıklara ihtiyaç olduğunu işaret etti. Takip
eden 10 yıl boyunca yüksek voltaj ve çevrimsel hızlandırıcıların her ikisi de kurulmuştu.
Yüksek voltaj üretiminde birçok değişik metodlar geliştirildi. Fakat yüksek voltajda kıvılcım
saçmayacak bir hızlandırıcı tüpün sağlanmasında daima büyük zorluklar olmuştur. Cockcroft
ve Walton, Rutherford’un Cavendish laboratuvarlarında başarılı bir hızlandırıcı tüp
geliştirdiler. Mevcut bir voltaj katlayıcı devreyi kullandılar ve 1932’de ilk nükleer fizik
deneyini yapmak için kullandıkları 300 keV’lik proton hızlandırıcısını geliştirdiler.
Ising ilk çevrimsel hızlandırıcıyı 1925’te sürüklenme tüplü lineer hızlandırıcı olarak
önerdi. Wideroe bu düşünceyi genişletti ve 1928’de çalışan bir lineer hızlandırıcı inşa etti.
Civa iyonlarını radyo frekans (RF) voltajı ile hızlandırdı.
Belki de Wideroe’nin çalışmalarının en önemli sonucu Lawrence’nin siklotronu
düşünmesi için uyarmasıdır. Lawrence ve Livingston 1932’de ilk çalışan siklotronu inşa
ettiler ve siklotronların ilk başarıları 1930’larda Lawrence’in laboratuvarlarında gözlendi.
Lawrence’nin siklotronları ve Van de Graaff tarafından 1931’de düşünülen ve
geliştirilen elektrostatik jeneratörler 1930’lar boyunca nükleer fizik araştırmalarında
kullanıldı. Her ikisi de 15 MeV veya daha küçük enerjilere sınırlandırılmışlardır ve bu
1
limitlerden daha ileri enerjilere ulaşmaları 1930’lar boyunca yapılan araştırmaların başlıca
konusu olmuştur. Demetler lineer hızlandırıcılarda hareketli dalga olarak düşünüldü ve
geliştirildi. Fakat radyo frekans güç kaynakları kullanışlı hızlandırıcılar yapmak için henüz
uygun hale getirilememişti. Thomas 1938’de AVF siklotronunu önerdi fakat pratikte hemen
uygulanamadı.
1.2 1940- 1970 YILLARI ARASI
Kerst ilk başarılı betatronu 1941’de inşa etti ve ikinci bir 20MeV’lik betatronu ikinci
Dünya Savaşı araya girmeden önce kurdu. Bu model büyük kalıpların özellikle askeri
tankların X ışınları ile testinde kullanmak için büyük mıknatıslar içeriyordu.
Enerjide bir sonraki büyük adım Rusya’da Veksler ve Amerika’da Mc Millan
birbirinden bağımsız olarak sinkrotronu mümkün hale getirmek ve rölativite etkilerini yenmek
için bir siklotrondaki hızlandırıcı voltajın frekans modülasyonuna izin veren faz dengesi
prensibini düşündüklerinde başladı. 1946’da ilk sinkro-siklotron çalıştırıldı ve birkaç sene
içerisinde belli bir sayıda 300 Mev’lik elektron sinkrotronları işleme sokuldu. Bu
hızlandırıcılarla yapılan çalışmalar “” mezonunun özelliklerini öğrenmede oldukça önemli
yer tuttu.
İkinci Dünya Savaşı radar çalışmalarını ve yüksek frekans güç kaynaklarının
gelişmesini uyarmıştır ve bunlar lineer hızlandırıcılarında kullanılmıştır. Yaklaşık 3 GHz
frekanstaki ilerleyen dalga elektron lineer hızlandırıcıları Hansen, Ginzton ve Panofsky
tarafından geliştirilmiştir ve onların işbirliği seneler sonrası 50 GeV’lik Stanford Lineer
Hızlandırıcısının kurulmasına öncülük etmiştir. Alvarez ağır parçacıklar için olan sürüklenme
tüplü hızlandırıcı kabulünü genişletmiş ve fizik, kimya araştırmaları ile sinkrotronlar için
pompalayıcı olarak kullanılan ilk sürükleme tüplü hızlandırıcıları inşa etmiştir.
Çalışmalar 1940’ların sonlarında proton siklotronları inşa etmek için yeniden başladı.
İlk proton siklotronu olan New York Brookhaven’deki 3GeV’lik Cosmotron çalışmaya
1952’de ve California Berkeley’deki 6 GeV ’lik Betatron çalışmaya 1954’de başlamıştır.
İlgiçekici bir durum 1GeV’lik bir proton siklotronunun 1943’de faz kararlılığı prensibinden
bağımsız olarak düşünülmesi ve İngiltere Birimingham’da inşa edilmesidir. Proton
2
siklotronları ağır mezonların “anti-protonlar ve kozmik ışın deneylerinde gözlenen acayip
parçacıklar” araştırılmasında kullanılmıştır.
Spekülatif tartışmalar 1952’de Courant, Livingston ve Snyder tarafından tartışılan
güçlü odaklama prensibinin kabulü ile yüksek hızlandırıcı enerjisine doğru bir artışı
amaçlamıştır. Daha sonra Christofilos’un 1950’de bağımsız olarak bu prensibi geliştirildiği
gözlendi. Kuvvetli veya değişken gradyentli odaklama parçacıkların daha küçük bir ideal
yörünge civarında osilasyonunu sağlar ve daha ekonomik mıknatıslarla daha sık hale getirir.
Kuvvetli odaklamanın bulunması parçacık hızlandırıcılarında bir teknik fikir ve bilgi
patlamasına neden olmuştur. 1953’de Kitigaki ve White birbirinden bağımsız olarak daha
yüksek kılavuz alanları ve daha ekonomik düzenlemeleri mümkün hale getiren ayrık
fonksiyonlu kuvvetli odaklama sinkrotronu düşünmüşlerdir. 1958’de Collins pompalama,
hızlandırma, tarama ve çıkarma işlemleri için kullanılan ekipmanlara yeterli boşluk sağlayan
ekonomik tasarımları mümkün kılan uzun düz bölmeleri düşünmüştür. Proton siklotronlarıyla
daha yüksek enerjilere ulaşmak mümkün olsa da kuvvetli odaklama prensibi diğer bir çok
yeni düşüncelere bir hız kazandırmıştır. Lineer hızlandırıcılar performans açısından ilk defa
Blewett tarafından düşünülen yörünge boyunca kuvvetli odaklamanın eklenmesiyle büyük bir
gelişme göstermiştir. AVF prensibi aralarında Kolomensky, Ohkawa, Snyder ve Symon’un
bulunduğu birçok kişi tarafından yeniden keşfedilmiştir. 1954 senesinde Kerst tarafından
spiral sektör odaklamasına genişletilmiştir. Kerst daha sonra başarıyla hızlandırılan
demetlerin AVF tasarımının değişik bir çeşidi olan sabit alan değişken gradyent hızlandırıcısı
(FFAG)’ndaki dairesel yörüngelerde hızlandırılabileceğini öne sürdü. Yoğun demetler daha
sonra çarpıştırma deneylerinde kullanıldılar. Patenti 1943’de Wideroe tarafından alınmıştır.
Demet yığılması kullanışlı oranlarda çarpışmalarının başarılması için esastır. Kısaca bundan
daha sonra belli sayıda kişiler (Newton, Lichtenberg, Ross ve bunlardan bağımsız olarak
O’Neill) hızlandırıcıdan ayrı olarak bir depolama halkasının oluşturulmasını önerdi.
Depolama halkası FFAG hızlandırıcısından daha iyi bir demet çarpıştırma sistemi oldu.
Çünkü daha az masraflı ve dedektörler için serbest alan sağlanması mümkün olmaktaydı.
Bu fikirlerin deneysel uygulanması fazla gecikmemiştir. İlk kuvvetli odaklama
elektron sinklotronu Wilson ve ortakları tarafından 1954’te çalıştırılmıştır. Bunu bir çok
elektron siklotronu izlemiştir. FFAG prensibi ve demet yığılımı Kerst ve ortakları tarafından
1950’lerde yayınlanmıştır. İlerleyen dalgalı elektron lineer hızlandırıcıları aynı zamanda
3
1GeV’lik enerji oranına ulaştılar ve elektron proton saçılması üzerine proton yapısını
aydınlatan bir dizi önemli deneyler yapılmıştır. İlk elektron depolama halkaları 1960’ların ilk
yıllarında kurulmuş ve çalıştırılmıştır. 28 ve 33 GeV’lik iki büyük proton sinkrotronu sırasıyla
CERN ve Brookhaven laboratuarlarında inşa edilmiştir. Yeni parçacıkların keşfi, bunların
anlaşılması ve bunların üzerinde yapılan fiziksel düzenlemelerin başlamasıyla bu
hızlandırıcılar yüksek enerji parçacık fiziğindeki büyük gelişmelerin meydana geldiği
kuruluşlar olmuşlardır. Elektron sinkrotronları ve özellikle 1966’da 20 GeV’e ulaşan Stanford
lineer hızlandırıcısı bu anlayışla inşa edilmişlerdir.
1960’ların sonlarında ilk büyük proton depolama halkası olan ISR CERN’ de kuruldu.
Her biri 28 GeV olan proton demetlerini depolandı. 1500 GeV’lik enerjinin üstündeki sabit
hedefli bir hızlandırıcıya denkti.
Kuvvetli odaklamalı sinkrotronlarda ikinci nesilde 1960’ ların sonlarında inşa
edilmeye başlandı. Bunlar daha etkili ayrık fonksiyonlu mıknatıs sistemi ile uzun ve düzgün
kısımları birleştirdi. 400 GeV’e ulaşan bir proton sinkrotronu Illinois’ teki yeni
FERMILAB’da 1972’de tamamlandı. Daha sonra benzer bir sinkrotron CERN’ de inşa
edilmiştir. Bu çalışmalar yeni demet ayırma metotlarını birleştirdi ve her biri aynı anda birçok
hedefe ve bir düzine kadar büyük deneye demet sağlayabildi. Bu çalışmalar renk-dinamiğin
ve elektro-zayıf teorinin gelişmesine ve doğanın işleyişindeki temelleri anlamamıza büyük
katkılar sağlamıştır. .
1.3 1970-2000 YILLARI ARASI
Önemli deneysel kanıt, ikinci demet olarak pozitronların kullanıldığını ve ilk olarak
1972’ de Stanford’ ta kurulan her bir demetin 3 GeV’e ulaştığı elektron depolama halkaları
ile sağlanmıştır. Elektron-pozitron depolama halkaları şu anda 30 GeV’e ulaşmıştır. Proton
sinkrotronlarında olduğu gibi elektron-pozitron depolama halkaları hızla geliştirilmiştir.
Sinkrotron ışımasından kayıp enerjiyi tekrar yerine koymak için yapılan radyo
frekans
sistemleri elektron depolama halkalarında kullanılmaya başlamıştır. Sinkrotron ışımalarından
kaynaklanan kayıp enerjiyi tekrar yerine koymak için yapılan radyo frekans sistemleri
elektron depolama halkalarının düzenlenmesi ve fiyatında önemli bir faktördür. Fakat aynı
zamanda sinkrotron ışınımı çarpışan demet etkileşim oranını artırmada ve demet boyunu
küçültmede etkili bir yol olmuştur. Gerçekte sinkrotron ışınımı atomik fizikte ve malzeme
4
bilimi araştırmalarındaki kullanımında değerli bir deneysel araç haline gelmiştir. Bu yüzden
belirli sayıda tek demetli elektron halkaları bu amaç için inşa edilmiştir.
İki büyük proton sinkrotronu oldukça değişik doğrultularda geliştirilmiştir.
Fermilab’ta süperiletken mıknatıslar 400 GeV’lik hızlandırıcı tüneline yerleştirilmiş ve enerji
1983’de 800 GeV’e ulaşmıştır. CERN sinkrotronu Van de Moor tarafından bulunan yeni bir
demet soğutma tekniğini kullanarak anti-protonları toplayarak küçük bir halkanın
eklenmesiyle bir proton, anti-proton depolama halkasına dönüştürülmüştür. W ve Z
parçacıklarının 1983’de keşfiyle sonuçlandırılan demet çarpıştırma deneyleri burada
gerçekleştirilmiştir. Bu parçacıklar 100 GeV’e yakın durgun enerjiye sahiptir ve 1 TeV’lik
sabit hedefli proton hızlandırıcısı kullanılsa bile üretilemezler.
Bu hızlandırıcıların veya depolama halkalarının görülmeye değer başarıları bir çok
özelliğin geliştirilmesine izin vermiştir. İlk olarak demet başına 50 GeV ve son olarak
100GeV’ e ulaşan bir elektron-pozitron halkası (LEP) CERN’ de inşa edilmiştir ve 12 yıl süre
ile deneyler yapılmıştır. Halka şekilli ilk elektron-proton çarpıştırıcısı HERA ismiyle DESYHamburg’ta
inşa edilmiştir. Bir proton-antiproton halkasına dönüştürülebilen 3TeV’lik
proton sinkrotronu ise Rusya’ da inşa edilmiştir. Bir tek geçişli demet çarpıştırma sistemi
olan SLC Stanford’ da inşa edilmiştir. Burada iki demet lineer bir sistemde sadece bir kere
çarpışmaktadır. Hızlandırıcı dairesel tasarımlı değildir. (Şekil 2.2) Elde edilen olay sayıları
çok küçük demet boyutları ile (böylece yoğunluk artacaktır) ve çok yüksek tekrarlama
oranlarıyla başarılabilmiştir. Demet başına 20 TeV’ lik bir proton-proton çarpıştırıcısı olan
SSC’ nin Amerika’ da düzenleme çalışmaları devam etmektedir. Parçacık hızlandırıcılarının
enerjilerindeki tarihi gelişim Şekil 1.1’ de verilmiştir. Burada her yeni türdeki hızlandırıcı
gelişiminin bir enerji artışına neden olduğu görülmektedir. Her bir hızlandırıcı tipi ileride bir
diğeriyle yer değiştirmektedir.
5
Şekil 1.1 Livingston eğrisi
1.4 HIZLANDIRICILARIN GELECEĞİ
Tarihsel gelişimde tartışıldığı gibi hızlandırıcı kapasitelerinde dikkat çekici ilerlemeler
başlamıştır. Bilim, tıp ve endüstrideki uygulamalarında bu gelişmeler maksimum enerji
kapasitesini 50 sene içerisinde 10 milyondan fazla bir çarpanla ve demet akım kapasitesini de
aynı büyüklükteki bir çarpanla arttırmıştır. Hızlandırılan atomik parçacıkların çeşidi artmış,
parçacık hızlandırma işleminin maliyeti düşürülmüştür. Bu gelişmeler bir çok amacın
birleşimiyle ortaya çıkmıştır. Var olan yeni metotlara yeni hızlandırma metotlarının
tasarlanarak eklenmiş ve teknolojik gelişmeler sürekli olarak devam etmiştir.
6
Temel bilimsel araştırmalar için olan hızlandırıcılardaki gelişmeler birim demet
enerjisi başına düşen maliyeti azaltmıştır. Tıpta kullanılan hızlandırıcılardaki gelişmeler
hızlandırılabilen parçacıkların çeşidinin artması, demetlerin kontrolündeki kesinlik ile
cihazların maliyeti ve sağlamlığı üzerine odaklanmıştır. Endüstriyel uygulamalar sürekli
olarak hızlandırıcı maliyetindeki düşüş üzerine, demet akımı ve hızlandırılan parçacıkların
çeşidinin artırılması üzerine ve artan taşınabilirlik ile küçültme işlemi üzerine genişletmiştir.
Hızlandırıcılar konusundaki tecrübe artışına karşın gelişme oranı sabit kalmıştır. Bütün
hızlandırıcı uygulamalarına karşı bu gelişmeler meydana gelirken en dramatik gelişmeler
temel bilimler için kullanılan hızlandırıcılarda meydana gelmiştir. Bu alanda beklenen
gelişmeler burada vurgulanmıştır. Bu gelişmeleri var olan hızlandırıcı tiplerindeki gelişmeler
ile yeni ve geliştirilmiş hızlandırıcı metotları olarak sınıflandırabiliriz.
Varolan metodların gelişimi metodun fiziğinin derinlemesine anlaşılmasında ve
hızlandırıcıların tasarlanmasındaki ve kurulmasındaki yeni ve geliştirilmiş materyal ve
tekniklerden ileri gelir. Dairesel hızlandırıcılarda ve mikrodalga linaklarda (lineer
hızlandırıcı) önemli gelişmeler gözlenmektedir.
1.4.1 Dairesel Hızlandırıcılar
Proton demetlerini demet başına 100 TeV veya daha fazla değerlere çıkarıp
çarpıştırarak yapılacak temel parçacık fiziği araştırmaları büyük olasılıkla sinkrotron prensibi
esas olarak yapılmış dairesel hızlandırıcılar olacaktır. Lineer olmayan parçacık dinamiği ve
yoğun demetlerdeki problemlerin çözümü konusunda devam eden gelişmeler daha yoğun
demetler hızlandırılırken daha küçük ve ekonomik mıknatıslar ile demet kanallarının
kullanımını gündeme getirecektir. Şu anda kullanılması mümkün olan süper iletken
malzemeler çevresi 90 km olan, malzemelerin 15T’ya kadar çalışabilecek hızlandırıcıların
yapımını mümkün kılmaktadır. Böyle mıknatıslarla çevresi 190 km olan 100 TeV’lik bir
hızlandırıcı mümkündür. Soğutma teknolojilerinde ve elektronik kontrollerdeki beklenen
gelişmelerle, bu türden bir hızlandırıcıyı birkaç insanla şu anda var olan araştırma hızlandırıcı
kompleksleriyle yaklaşık olarak aynı güçte çalıştırmak mümkün olacaktır.
Temel fiziksel, biyolojik ve kimyasal araştırmalar için sinkrotron ışınımı üreten
dairesel hızlandırıcılarda bu hızlandırıcıların temel fiziğinin ve uyumlu radyasyon üretim
7
mekanizmalarının anlaşılmasıyla önemli ölçüde gelişecektir. Bu tür makinelerin gelecek nesli
çevresi yaklaşık 1km, ışınım gücünü araştırma amaçları için yükseltilebilen salındırıcı ve
wiggler adındaki özel magnetlerle donatılmış şekilde olacaktır. Işınımın dalga boyu dar bir
bant içinde yoğunlaştırılmış ve ayarlanabilir olacaktır. Geniş bir kullanıma izin verecek
şekilde akı ve parlaklığı arttırılabilecektir.
1.4.2 Mikrodalga Lineer Hızlandırıcıları
Dairesel bir hızlandırıcı içerisinde hapsedilmiş elektronlar tarafından yayınlanan
yoğun sinkrotron ışınımı yüzünden 100 GeV’ in üzerindeki enerjilerdeki elektronlarla yapılan
temel parçacık fiziği araştırması büyük olasılıkla linaklar tarafından üretilen demetlerin
çarpıştırılmasıyla gerçekleştirilecektir. Demet başına 1 TeV’ lik değerlere kadar çıkabilecek
genişletilmiş akım microdalga linak teknolojisinin mümkün olabileceği şimdiden gösterebilir.
Bu türden bir çarpıştırıcıda iki tane 10 km.’lik linak kullanılır. Hızlandırıcı dalga kılavuzları,
demete daha iyi enerji transferi için metre başına yaklaşık 100 MeV civarında etkin
hızlandırıcı alanlar sağlarken, demet ortak etkilerinin anlaşılmasıyla ve yoğun demetlerin
hızlandırma işlemlerinin anlaşılması ile daha da gelişecektir. Bu tür gradyentler daha önce
laboratuvarda üretilmiştir ancak şimdi bunlara getirilen önemli ekleme ile yüksek verimli
güce ve birkaç yüz MW’ lık tepe pulsuna sahip mikrodalga güç kaynakları olmalıdır.
“Gecikmeli bir lazer aydınlatmalı elektron demeti üzerine dayandırılmış bir
mikrodalga jeneratörü” bu tür başarıların ilk işaretlerini verir. Henüz geliştirilmekte olan
ilerlenmiş olmamasına rağmen süper iletken mikrodalga linakları uzun atmalar veya sürekli
demetler gerektiren uygulamalardaki araştırmalarda geleceğin rolünü onaylamaktadır. Düşük
enerji nükleer fizikçilerin araştırmaları için yapılan bu tür makineler şu anda çalışmaktadır ve
bir orta enerji makinesi inşa edilmektedir.
1.4.3 Yeni ve Geliştirilmiş Hızlandırma Metodları
Özel amaçlar için dairesel hızlandırıcılar bir çok seneden beri kullanılmıyor olmasına
rağmen bütün yüklü parçacıkların eğri yörünge boyunca konu edildiği ayrık sinkrotron ışınmı
bazı enerjilerde dairesel hızlandırıcıların birkaç çeşidinin yeterliliğini sınırlandırır. Böylece
lineer hızlandırıcılar üzerinde önemli bir gelişme bekleyebiliriz. Bu türden cihazların hepsinde
hızlandırılan parçacıklar enerjilerini elektromagnetik dalganın bazı değerlerinde kazanırlar.
8
Kullanışlı olması için dalga parçacığın hızına çok yakın hızla hareket etmelidir. Parçacığın
istenen hareket doğrultusunda önemli bir elektrik alan bileşenine sahip olmalıdır. Değişik
potansiyel hızlandırıcı çeşitleri hızlandırıcı elektromagnetik dalganın yaratılma hızının kontrol
edilme yöntemlerine göre ayırt edilirler. Prensipte hızlandırıcı için gerekli koşullar serbest
uzayda herhangi bir materyal cinsinden uzakta, uzayda özel olarak düzenlenmiş iletken ve
dielektrot düzeneklerinin yanında veya bazı materyal ortamlarda düzenlenebilir.
Serbest uzayda sadece düzlem elektromagnetik alanlar mevcuttur. Bu dalgalarda
elektrik ve magnetik alanlar dalga hızına diktir. Tek frekanslı bir düzlem dalga yüklü bir
parçacığın sürekli hızlandırılması için yeterlidir. Değişik frekanslarda iki dalga kullanılırsa
sürekli hızlandırma başarılabilir. Dalganın birisi parçacığa önemsiz derecede eğri bir yörünge
sağlar. Böylece hızı ikinci dalganın hızlandırma alanına paralel bir bileşene sahip olur. Bu ters
elektron lazeridir. Yörünge hafifçe büküldüğünde sinkrotron ışınımı tarafından maksimum
enerjiyle sınırlandırılır. Henüz bu tür hızlandırıcılar çalıştırılmamış olmasın rağmen 300 GeV’
lik enerjilere sahip elektronların elde edilebileceği tahmin edilmektedir. Tasarlandığı şekliyle
proton veya ağır parçacıklar için kullanışlı bir hızlandırıcı olmayacaktır. İletkenlerin değişik
düzenlenmeleri ışık hızına yakın hızdaki boyuna elektro magnetik dalgaların desteklenmesi
için tertip edilmiştir. Klasik mikro dalga linakı buna bir örnektir. Bu türden bir cihazın daha
kısa dalga boylarında çalıştırılmasıyla daha yüksek hızlandırıcı alanların destekleneceğine
inanılmaktadır. 1cm veya dalga az dalga boyu uzunluklarında serbest elektron hızının elektro
magnetik dalga sürücü kaynağı olarak kullanılabilir ve yüksek değiştirme verimi için bir
potansiyele sahip olduğuna inanılmaktadır. Lazerin düşük enerji yüksek akım demeti
hızlandırılan düşük akım yüksek enerji demetine çok yakın ve paralel olabilir. Böylece
çiftlenim kayıpları önemsenmez. Bu görüş iki demet hızlandırıcısı olarak isimlendirilir. Bir
serbest elektron lazeri daha çok 100 MW tepe güç değerinde ve 1 cm’ de çalıştırılmıştır.
Dalga tipini ve hızını kontrol etmek için iletken düzenekler kullanan bütün hızlandırıcıların
maksimum hızlandırma alan kapasitesi iletken malzemeye verilen zarar ile sınırlandırılır. Bu
ana limiti önlemenin mümkün bir yolu her atma için ayrı bir düzenek kullanmaktadır. Böylece
zararın konumuzla ilgisi kalmaz. Sıvı damlacıkları üzerinde bir plazma meydana getirerek
iletimlerinin sağlanması ile uygun bir periyodik sıranın oluşturulması olasılığı önerilmiştir.
Bir magnetik dalga kaynağı olarak lazerden mümkün olabilen en büyük tepe güç değerini
avantajını elde etmek için damlacıklar mikroskobik boyutta olmalıdır. Bu türden bir
hızlandırıcı inşa edilmemiştir. Metre başına birkaç yüz milyon voltluk hızlandırıcı alanlar
mümkün olmaktadır.
9
Yukarıda tartışılan hızlandırıcılar harmonik güç kaynakları tarafından sürülmektedir.
Geniş frekans bandına sahip iletken kontrollü hızlandırıcı ve uyarı alan dönüşümlü
hızlandırıcı önerilmektedir. İki demet hızlandırıcısındaki görüşlere benzer olarak ışık hızına
yakın hızda simetri eksenleri boyunca yayılan halka serilerini kapsayan yüksek akım, düşük
enerji demetli bir enerji kaynağı olarak çalışır. Bu halkalar boyunca taşınan enerji bir enerji
atması olarak iletken silindirin bir kenarında biriktirilir. Bu enerji atması sıkıştırıldığı için
silindirin merkezine doğru yayılır. Merkezdeki elde edilen en son yüksek alan daha sonra
alçak akım yüksek enerji demetini hızlandırmak için kullanılır. Hızlandırıcı alanların 200
MV/m olası beklenmektedir. Protipleri inşaat halindedir. Gaz plazma veya yüklü parçacık
demetleri gibi ortamlarda elektro magnetik dalgalar boş uzayda olduğundan daha yavaş
yayılır. Bunlardan birisi değişik yollarla sürekli hızlandırma işlemini başarılması için
kullanılır. En ilgi çekici olan vuru-dalga hızlandırıcılarıdır. Bu alette birbirine çok yakın
frekanslı iki süper pozisyonlu lazer demeti koaksiyel olarak ve hızlandırılacak olan parçacık
demetinin önünde hareket ederler. İki lazer frekansının farkı tam olarak plazma frekansına
eşitse lazer atmaları plazmayı bir ipteki boncuklar gibi aralarında boşluk olacak şekilde yoğun
yığınlar halinde lazer atmalarının yörüngesi boyunca rezonans meydana getirecek şekilde
organize eder. Bu yük yığınlarından sonra sonuçlanan elektrik alanları metre başına birkaç
GV(Gigavolt) olacak kadar büyük hesaplanmıştır. Vurucu dalgaların varlığı parçacıkları
hızlandırma kapasiteleri deneysel olarak anlaşıldığında yayımlanmıştır. Beklenen çok büyük
alanları meydana getirmek için ihtiyaç duyulan uygun lazerlerle plazma parametreleri henüz
başarılmamıştır. Hızlandırıcı gelişimindeki ilerlemeler bu çalışmaları sonuçlandıracaktır. Bu
yaklaşımlardan her hangi birisi geleceğin hızlandırıcılarının önünün açılmasını sağlayacaktır.
10
1.4.4 Hızlandırıcıların Sayısal Dağılımı
2000 yılı itibariyle dünyadaki toplam hızlandırıcı sayısı 15000 civarındadır. bunlardan
yaklaşık 110 adedi büyük çaplı ve parçacık fiziği ilgili deneylerin çalışıldığı ve
hızlandırılmaya dayalı teknolojilerin geliştirildiği laboraruvarlardır. (CERN, FNAL, DESY,
KEK vb. gibi)
Çizelge 1.1 Dünyadaki hızlandırıcıların kategorik dağılımı
KATEGORİ
SAYISI
İyon aşılanması ve yüzey modifikasyonu
7000
Endüstriyel amaçlar
1500
Nükleer olmayan araştırmalar
1000
Radyoterapi
5000
Tıbbi izotop üretiminde
200
Hadronterapide
20
Sinkrotron ışınımı kaynağı olarak
70
Parçacık fiziği ve nükleer fizik
110
araştırmalarında
TOPLAM
15000
11
1.4.5 Hızlandırıcıların Soy Ağacı
Süper Çarpıştırıcılar (LHC, TESLA vb.)
2005
İzotop
Tayini
Füzyon
Çalışmaları
Ağır Parçacık Terapisi
Nükleer
Reaksiyon
Gerisaçılma
Sinkrotron
Medikal Uygulamalar
Mikromekanik
Mikroyapı Litografisi
Malzeme
Analizi
Sinkrotron Işınımı
Seramikler
Camlar Metaller
1970
Yarıiletkenler
Radyoizotop Üretimi
Siklotron
Medikal Uygulamalar
İyon
1960
İmplantasyonu
Işın tedavisi
e demetleri ile polimer
modifikasyonu
Elektrostatik
Hızlandırıclar
Betatron
1940
1930
12
2
HIZLANDIRICILARIN TİPLERİ
2.1 PARÇACIK HIZLANDIRICILARI İLE İLGİLİ ÖNEMLİ TANIMLAR
Elektron Volt (eV): Hızlandırıcı fiziğinde kullanılan enerji birimidir. Bir eV,
elektronun 1 voltluk potansiyel farkını aşarken kazandığı enerjidir.
RF Rezonans Boşluğu: İçerisinde parçacıkları hızlandırmayı sağlayacak şekilde
yüksek frekanslarda (MHz, GHz) boyuna elektrik alanının uyarıldığı normal veya
süperiletken metallar kullanılarak oluşturulan ortam.
Yüksek Voltaj Hızlandırıcıları: İçindeki her bir parçacığın yüksek bir potansiyel
farkından (ΔV) bir kere geçtiği parçacık hızlandırıcısı. Yüksek voltaj hızlandırıcısının ana
çeşitleri: Cockcroft-Walton Hızlandırıcılar, Van de Graaff jeneratörleri ve Marx
Jeneratörleridir.
İndüksiyon Hızlandırıcıları: Faraday’ ın indüksiyon yasası gereği magnetik akının
zamanla değişimi yoluyla dairesel yörünge boyunca indüklenen elektrik alanı yardımıyla
hızlandırmanın gerçekleştirildiği dairesel hızlandırıcıdır.
Lineer Hızlandırıcı (linac): Hızlandırmanın doğrusal bir yol boyunca sıralanmış bir
veya birden fazla RF rezonans boşluğu ile gerçekleştirildiği hızlandırıcıdr.
Dairesel Hızlandırıcı: Parçacıkların, RF boşluklarında hızlandırıldıkları ve magnetik
alanlar yardımıyla dairesel yörüngelerde tutulduğu hızlandırıcıdır.
Devirsel Hızlandırıcı: Her bir parçacığın çok yüksek enerjilere hızlandırılması için
bir potansiyel farkından defalarca geçirildiği hızlandırıcıdır.
13
Çarpışan Demet Deneyi: Çarpışma sürecinde, zıt doğrultuda ikinci bir demetin hedef
olarak kullanıldığı deney türüdür. Bu tür deneyler yeni parçacıkları oluşturmak ve
özelliklerini incelemek için yapılır.
Sabit Hedef Deneyi: Bir demetin hızlandırıldıktan sonra sabit bir hedefe çarptırıldığı
deney türüdür. Bu tür deneyler saçılma veya ikincil demetlerin üretilmesi amacıyla yapılır.
Odaklama Sistemi: Hızlandırma ve depolama süresince demet içerisinde ideal
yörüngeden sapmış parçacıkların ideal yörüngeye yaklaştırılmasını sağlayan ve genel olarak
kuadropol magnetlerin kullanıldığı magnetik optiksel sistem.
Betatron: Daha çok elektronlar ve hafif parçacıklar için geliştirilmiş dairesel
indüksiyon hızlandırıcısıdır. Sabit yarıçaplı bir daire üzerinde parçacıkları muhafaza etmek
için kılavuz magnetik alan zaman içinde artırılır.
Mikrotron: Elektronların bir radyo frekansı (rf) ile salınan gerilim etkisiyle
hızlandırıldığı ve yarıçapları farklı tüm yörüngelerin aynı hızlandırma bölgesinden geçtiği
dairesel hızlandırıcıdır.
Siklotron: Daha çok proton ve ağır iyonların bir radyo frekansı (rf) ile salınan gerilim
ile hızlandırıldığı ve enerjisi artan demetlerin zaman içinde merkezden dışa doğru spiral
çizdikleri hızlandırıcıdır. Hızlandırılmış demet bir noktadan çıkarılarak deneyde kullanılır.
Sinkrotron: Parçacık demetinin bir veya çok sayıda RF rezonans boşluğu tarafından
hızlandırıldığı ve zamanla artan bir magnetik alan tarafından sabit yarıçaplı bir yörüngede
tutulduğu dairesel hızlandırıcıdır.
Depolama Halkası: Zaman içinde sabit bir magnetik alanın kullanıldığı sinkrotron
benzeri bir halkadır. Burada bir veya daha fazla parçacık demeti çarpışma öncesi uygun
kaliteye ulaşmış halde tutulabilirler.
14
Parçacık hızlandırıcıları temelde atomik parçacıkların kinetik enerjilerini arttırmak
amacıyla kurulan düzeneklerdir. Bu parçacıklar elektrik yükü bulunan elektronlar, protonlar
ve bunların anti-parçacıkları veya ağır iyonlar olabilir. Parçacıklar elektromagnetik alanların
neden olduğu kuvvetlerce hızlandırılırlar ve hepsi aynı doğrultuda hareket ederler.
Hızlandırılmış parçacıklar, yüksek enerji fiziği ve nükleer fizik deneyleri ile bilimsel
araştırmalarda, tıpta veya endüstride kullanılırlar. Parçacık demetleri istenilen enerjiye
hızlandırıldıktan sonra hedefe çarpması için yönlendirilir. Hızlandırılan parçacıklar demet
içinde fiziksel etkilere maruz kalırlar ve demet kalitesi açısından bu etkiler hızlandırıcların
tasarımı esnasında ciddi olarak incelenmelidir.
2.1.1 Birimler
Hızlandırılan parçacıkların ulaşacağı son enerji değeri bir parçacık hızlandırıcısının en
önemli parametrelerinden birisidir. Parçacıklar elektronun yükü olan e’ye eşit veya onun
katları kadar yüke sahip olurlar ve Volt olarak ölçülen potansiyeller farklarınca
hızlandırılırlar. Bu nedenle enerjinin doğal birimi elektron volt (eV)’dur.
Elektron volt çok küçük bir enerji birimidir. (1 eV=1.610-19 Joule). Atom içerisindeki
enerji seviyeleri için, hızlandıcılarda olduğundan daha çok kullanılır. Bu yüzden elektron
Volt’ un hızlandırıcıları tanımlamak için kullanılan katları vardır. Örneğin ;
1keV = 103 eV
1MeV= 106 eV= 103 keV
1GeV = 109 eV= 103 MeV
1TeV = 1012 eV= 103 GeV
Parçacık hızlandırıcılarının enerjilerinde birkaç yüz keV’ den birkaç 1TeV’ e kadar
değerlere rastlanabilir. Parçacık hızlandırıcılarının boyutları bir masa üzerine sığacak
cihazlardan çevresi kilometreleri bulan dairesel hızlandırıcılara kadar uzanır. En
büyüklerinden bir tanesi, DESY (Hamburg-Almanya)’de bulunan 6.36 km çevreli ve 5 m.
çaplı dairesel tünel içinde kurulan elektron-proton çarpıştırıcısı olan HERA çarpıştırıcısıdır.
HERA tunelinin bir görüntüsü Şekil 2.1’de verilmiştir. HERA çarpıştırıcısı için Ee = 27 GeV,
Ep = 920 GeV’ dir.
15
Şekil 2.1 HERA (DESY) elektron-proton çarpıştırıcı tunelinden bir görünüm
Bir hızlandırıcıyı tanımlamak için kullanılan önemli diğer parametreler, birim
zamanda hızlandırılan parçacık yoğunluğunu içine alan demet akım şiddeti, demet akısı ve
demetin enine boyutlarıdır. Şayet sözkonusu bir çarpıştırıcı ise en önemli iki parametre birim
zamanda ve birim yüzeyde etkileşme oranını veren ışınlık (L, luminosite) ve yeni parçacıklar
üretmek üzere kullanılabilir enerjinin ölçüsü olan kütle merkezi enerjisidir (Ecm).
2.2 TİPLERİ
Hızlandırıcılar iki sınıfa ayrılabilir;
1.
Hızlandırma işlemi için yüksek bir DC gerilim farkı kullananlar
2.
Radyo Frekans salınımlı elektromagnetik alanlar kullananlar.
Yüksek gerilim hızlandırıcıları bir toprak ucuna göre yüksek gerilim değerlerine
sahiptir.
Bir çok yüksek gerilim hızlandırıcılarında Cockcroft-Walton takımı ve Marx
16
jeneratöründe olduğu gibi, bir gelirim katlayıcı devre kullanılır ve yük terminale elektronik
olarak taşınır. Diğerlerinde, Van de Graaff hızlandırıcısında olduğu gibi, aynı zamanda
elektrostatik jeneratör olarakda bilinir, yük terminale kuşak sisteminin hareketiyle mekanik
olarak taşınır. Van de Graaff içinde negatif iyonların yüksek gerilime hızlandırıldığı Tandem
Van de Graaff’a genişletilebilir. Daha sonra elektronları alınarak pozitif yüklü iyonlar haline
gelirler ve potansiyel farkı yardımı ile kinetik enerjileri artacak şekilde hızlanırlar.
Yüksek gerilim hızlandırıcıları kıvılcım saçma veya zemine (toprağa)boşalmalara
karşı yüksek voltaj tutulmasının pratik problemleri tarafından tepe enerjisi içinde
sınırlanmıştır. Cookcraft – Walton ve Marx jeneratörleri yaklaşık olarak 1 MV’a kadar
ulaşabilirler Van de Graaff jeneratörleri 25 MV’a kadar ulaşmıştır ve Tandem’ler parçacıkları
50 MeV’e kadar hızlandırmışlardır.
Çevrim hızlandırıcıları daima zaman içinde değişen hızlandırıcı alanlara sahiptir.
Parçacığın hareketi bu değişim ile eşzamanlılık oluşmuştur. (Eğer alanlar sabitse onlar bu
sınıfın enerji limitlerine sahip yüksek voltaj hızlandırıcıları olacaktır.)
Lineer hızlandırıcılarında, her bir parçacık hızlandırıcı yapılarından (RF rezonans
boşlukları) ardışık olarak bir kere geçer. Dairesel hızlandırıcıları da aynı hızlandırıcı yapıdan
yinelemeli olarak geçmeleri için parçacıklar kapalı bir yörünge çevresinde magnetik alan
kullanılarak bükülür.
Işık hızlarına yakın hızlarda hareket eden elektronlar ve diğer parçacıklar için olan
lineer hızlandırıcılar özel bir dalga kılavuzu içinde hareketli bir elektro magnetik dalga
kullanırlar. Elektronlar dalganın tepesinde bir okyanus dalgasının üzerindeki bir sörfçü gibi
hareket ederler. En büyük lineer elektron hızlandırıcısı olan ve iki mil uzunluğundaki 50
GeV’lik Stanford Lineer Hızlandırıcısı (SLAC) Şekil 2.2’de gösterilmiştir.
Işık hızından daha yavaş hareket eden parçacıklar için değişik bir yapıya ihtiyaç
vardır. Çünkü dalga hızı parçacıkların basamakta kalmalarını sağlamak için yeterli derecede
düşürülemez. Bu durumda parçacıkları yavaşlatma alanlarında korumak için sürüklenme
tüpleri kullanılır. En büyük lineer proton hızlandırıcısı Los Alamos Ulusal Laboratuvarındaki
800 MeV’lik hızlandırıcıdır.
17
Şekil 2.2 SLAC Lineer Elektron Hızlandırıcısı
Siklotron ilk dairesel hızlandırıcıdır. Parçacıklar bir dairenin merkezine enjekte edilir
ve sabit magnetik alan içinde bir yandan enerji kazanırken dışarıya doğru spiral çizerler.
Parçacıklar iki D şeklindeki sürükleme tüpü arasında kalan bölgeye geçerken hızlandırma
meydana gelir. Parçacık hızları radyo frekansı (RF) hızlandırma gerilimi ile eşzamanlı
olmalıdır. Yüksek enerjiler için, bu eşzamanlılık devam ettirilemez ve hızlandırıcı voltaj
sinkro-siklotron’da frekans modülasyonuna tabi tutulur. Daha yeni siklotronlar eşzamanlılığı
devam ettirmek için değişik alanlarda kullanırlar. Modern sinkrotronlar bir kaç MeV’den bir
kaç GeV’e kadar işlem yapmak için inşa edilmişlerdir. Elektronlar için siklotronlar kullanışlı
bir cihaz değildir. Yerine parçacıkların enerji kazanırken daha uzun yörüngelerde hareket
ettikleri mikrotron daha uygundur.
Bir GeV’den daha ileriye gitmek için kullanılan, içinde parçacıkların dönme esnasında
sabit bir yarıçapta kalmalarını sağlamak için magnetik alanın zamanla artırıldığı dairesel
hızlandırıcılar sinkrotronlardır. Hızlandırma sırasında parçacıklarla olan eşzamanlılığı
korumak için alan sürekli değiştirilir. En büyük sinkrotron süper iletken mıknatıslardan
yararlanılan Fermi Laboratuvarındaki TEVATRON’dur. Protonları ve anti-protonları 1TeV’e
kadar hızlandırarak çarpıştırır.
18
Depolama halkaları sinkrotronlarla aynıdır fakat magnetik alan parçacıkların dönmeye
devam edebilmeleri için sabit tutulur. Her iki doğrultuda parçacık çevrimli depolama
halkalarından demet çarpıştırma deneylerinde yararlanır.
Betatron, parçacıkların, değişen magnetik alanların indüklendiği elektrik alanlar
tarafından hızlandırıldığı dairesel indüksiyon hızlandırıcısıdır.
Keyfi bir yüksek enerji için bir sinkrotron inşa etmek prensipte mümkün olmasına
rağmen daha sonraki aşamada ekonomik olarak imkansız olmaktadır. Parçacık hızlandırmanın
daha ileri ve yeni yollarını arayan birçok hızlandırıcı bilim adamı vardır. Belki lazerlerde veya
plazmalarda parçacıkların hızlandırılması ve kılavuzluğu
için yoğun elektromagnetik
alanların kullanımı mümkün olacaktır. Bu çalışma toplu hızlandırıcıların şekillenmesi ve
birçok ilgi çekici fikirleri ile halen araştırma aşamasındadır.
2.2.1 Yüksek –Voltaj Hızlandırıcıları
Bir yüksek voltaj hızlandırıcısında, bir uç veya elektrod yüksek voltajla yüklenir ve
parçacıklar toprak potansiyeli ile bu yüksek potansiyel arasında hızlandırılır. Eğer terminal
+V voltajı ile yüklenmişse, tek yüklü pozitif iyon hızlandırıcısında eV enerjisi kazanacaktır.
Böylece terminal toprağa göre +V potansiyeldedir ve mümkün maksimum voltaj, tutma
potansiyeli ile sınırlıdır.
Yüksek voltaj üretmenin en basit yolu, bir kaç elektrik yükseltici transformatör sistemi
ile yapılır. X-ışınları makineleri, bu metodla 1 MV’ a kadar voltaj (gerilim) üretirler. Demet
sadece alternatif çevrimin (ac) yarısında hızlandırılır ve atma boyunca enerji değişir.
Demet parçacıklarının saçılmasını önlemek için, düşük basınçlara kadar boşaltılmış bir
hızlandırıcı tüp kullanılmalıdır. Gerilim zayıflaması, bir kıvılcımı önlemek için bir tüp
boyunca düzgün bir şekilde dağılmalıdır. Yaklaşık 1 MeV üzerindeki gerilimler için,
hızlandırıcı tüp boşluğunun dışı hemen hemen her zaman yüksek dielektrik sabitli basınçlı gaz
(sülfür-hekzaflorur) tarafından yalıtılmıştır.
Elektrik yükü yüksek gerilim üretmek üzere terminale getirilir. Yük, voltaj çoğaltan
devrelerle elektronik olarak veya hareketli sistemlerle mekanik olarak getirilebilir.
19
2.2.1.1 Gerilim Yükselteciler
İlk başarılı yüksek voltaj hızlandırıcısı, Cockcroft ve Walton hızlandırıcısıdır. Voltaj
ikileyici bir devrenin kurulmasıyla yapılmıştır. İki tane doğrultucu, ac dalgasının zıt tarafında
bir kondansatörün iki kat voltajla yüklemesine etki ederler. Bu prensip birçok duruma
genişletilebilir. Cockcroft ve Walton, Greinacher devresini kullandılar ve ilk hızlandırıcı
tüpünü geliştirdiler. Onlar, protonları 300 keV’ e kadar hızlandırmışlar ve 1932’ de, iki 
parçacığı üretmek için protonları lityumla bombardıman ederek, suni olarak laboratuarlarda
hızlandırılan parçacıklarla iki nükleer reaksiyonu gerçekleştirdiler. Modern Cockcroft-Walton
jeneratörleri, yaklaşık 1MV’ a kadar voltajlara ulaşabilir. Özel basınç sistemleri, 3 MV’ a
kadar inşa edilmiştir. Cockcroft-Walton jeneratörleri yüksek enerji hızlandırıcı sistemlerinin
ilk aşaması olarak yaygın bir biçimde kullanılmıştır. Çünkü çok iyi enerji regulasyonu
yapılmış demetler üretilebilir. Marx jeneratörü de prensipte aynıdır. Doğrultucu sistem,
kapasitörlere dışardan takılır. Temelde, kapasitörler paralel olarak yüklenmişlerdir. Kıvılcım
aralığı boyunca seri olarak boşalırlar.
Marx jeneratörleri ilk olarak, 1920’ lerde yüksek voltaj üreterek elektrik üretimi ve
elektriği iletme aletini test etmek için kullanıldı. Onlar, modern hızlandırıcı çalışmalarında
çok yoğun (1000-10000A0), kısa süreli (10-50 ns), 1-10 MeV’ lik parçacıkları üretmek için
kullanıldı. Parçacık enerjisi, puls sırasında çok zayıf olarak regüle edilir.
2.2.1.2 Yük Taşımalı Sistemler
Terminale mekanik olarak yük taşıyan aletlerin en önemlisi elektrostatik jeneratörler
veya Van de Graaff jeneratörüdür. Bu alet Şekil.2.3.’ de gösterildiği gibi yük, yüksek voltaj
ucuna hareket eden bir kayış ile taşınır. Çoğu modern hızlandırıcılarda, bu kayış bir çok
yalıtkan metal halkadan yapılmıştır. Van de Graaff hızlandırıcıları, 1930’ larda nükleer fizik
biliminin anlaşılmasında önemli rol oynamıştır.
Bir elektrostatik jeneratör, 25 MeV’ lik bir terminal voltajı üretir. Negatif iyonları
toprak ucundan yüksek pozitif voltaja hızlandırarak etkin voltajı iki katına çıkarmak
mümkündür. Demeti bir metal halkadan geçirerek, elektronları da çıkararak pozitif iyonlar
toprak potansiyeline geri hızlandırılır. Bu tekrarla (tandem) Van de Graaff jeneratörü yüksek
enerji üretir ancak; düşük yoğunlukludur. Çünkü çıkarma prosesi mükemmel bir verimle
20
yapılamaz. Bir elektrostatik jeneratörlerdeki demet akımı 10-20 A kadar büyük olabilir.
Fakat tekrardaki ( tandem) demet akımı 1 A mertebesindedir.
Şekil.2.3 Van de Graff elekrostatik hızlandırıcının genel görünümü
2.2.2 Çevrimsel Hızlandırıcılar
Yüksek enerjili parçacıklar üretmek için düşük voltajın tekrarlı bir şekilde kullanıldığı
iki çeşit hızlandırıcı vardır: Hızlandırıcı yapının belli bir serisinde,
1. Her bir parçacığın bir kez geçtiği lineer hızlandırıcılar,
2. Her bir parçacığın kapalı bir yörünge içerisinden (tam olarak dairesel olması
gerekmez) dolaştığı ve aynı hızlandırıcı yapı içerisinden tekrar geçtiği dairesel
hızlandırıcılardır.
Magnetik alan, kapalı yörüngeler boyunca parçacıkların yörüngelerini bükmek için
kullanılır. Bir çevrimsel hızlandırıcı içinde, hızlandırıcı kuvvet zamanla değişmeli.(yüksek
voltaj hızlandırıcılarında da kuvvetlerin tersine) Eğer hızlandırıcı kuvvet zamanla değişmezse,
yüksek enerji üretmek için tekrar tekrar kullanılamaz.
2.2.2.1 Lineer Hızlandırıcılar
Lineer hızlandırıcıda (linak) parçacıklar çok iyi bir yaklaşıklığa kadar düz bir yol
izlerler. Bu parçacıklar E elektrik alanın etkisi ile istenilen yönde hızlandırılabilirler ve statik
E veya B alanları kullanarak magnetik merceğin etkisiyle demet içinde odaklanabilirler. Bazı
21
durumlarda zamanla değişen harmonik alanlar radyo frekans kuadropol odaklama (RFQ)
sistemi ile yapılır.
Bugünkü hızlandırıcılarda, hızlandırıcı kuvveti sağlayan elektrik alanı, demet
yakınındaki dielektrik ortam veya iletkenlerle şekillendirilir. Parçacıklar hızlandırıcının
içinden geçerken, parçacık demetinin kinetik enerji artışı hızlandırıcının elektrik alanda depo
edilen enerjisinin azalmasıyla karşılanır. Statik alanın korunumlu doğası nedeniyle yüksek
voltaj hızlandırıcıları, lineer hızlandırıcıların daha temel bir biçimi maksimum sabit elektrik
potansiyeli ile maksimum parçacık kinetik enerji kazancına sınırlandırılmıştır. Bu ise
iletkenlerin bir düzlem ile desteklenebilir veya yapılabilir olmasını gerektirir. Pratik
durumlarda bu birkaç milyon volttur. Eğer hızlandırıcı elektrik alan zamanla değişiyorsa,
sürekli hızlandırma sağlanabilir. Bu oluşturulabilirse, maksimum parçacık kinetik enerjisine
fiziksel bir limit gelmez. Linak’da hızlandırıcı alan enerjisinin önemli bir kısmı hızlanan
dalgada bulunur. Hızlandırıcı kuvvet hızlandırıcının ekseni boyunca E büyüklüğü ile
orantılıdır (F=qE). İlerleyen dalga alanı zamanla ve hızlandırıcı boyunca z uzaklığı ile
değişir.
E= E0cos[w(t-z/w)+i]
(2.1)
Burada w dalganın frekansıdır. w dalganın faz hızı ve i sabittir. Hızlandırmanın başında
dalga boyunun, başlangıç değeri hesaplanır. (t=0,z =0) Eğer hızlandırılan parçacıklar
hızlandırıcı ekseni boyunca p hızına sahipse onların konumu:
z = pt
(2.2)
Sonuç olarak, eğer linak w=p olacak şekilde kurulursa, parçacıklar z-ekseni boyunca sabit
bir kuvvet tarafından hızlandırılırlar.
F = qE0 Cos(i )
(2.3)
Hızlandırıcının etkin olması parçacığın salınımlı alanı sadece dalga tepeleri yakınında
(i=0,2,4,...) yakalaması gerekir. Böylece zamanla değişen alanlara uygun linaklardaki bu
22
demetler paketçikli ‘bunched’ halde olmalıdır. Paketçiklerin aralığı w/c’dir. Burada 
hızlandırıcı harmonik alanın serbest-uzay dalga boyudur. Hızlanan parçacıkların hızları;
 P / C ={1 -[1 /1+(T/ M O C 2 )] 2 } 1 / 2
(2.4)
Burada T hızlanan parçacığın kinetik enerjisi, moc2 durgun kütle enerjisi, c ışık hızıdır.
Kinetik enerji, durgun kütle enerjisinden çok küçük ise. T moc2 durumunda ,
p/c (2T/ moc2)1/2
(2.5)
ifadesine indirgenir. Durgun kütle enerjisi kinetik enerjiden çok fazla ise;
p/c1
(2.6)
yaklaşıklığı bulunur. Denklem (2.4) , hız ile kinetik enerji arasındaki bağıntıyı verir. Linaklar
için ön hızlandırıcılar, yüksek voltaj dc veya puls-dc hızlandırıcılarıdır. Birkaç yüz
kilowattan, birkaç yüz milyon voltlara kadar çalışırlar. Protonlar ve ağır iyonların durgun
enerjileri bir kaç GeV’dir. Bunlar ön hızlandırıcıdan c’ nin sadece küçük bir kesri olan
hızlarda çıkarlar. Elektronlar 511 keV’ lik bir durgun kütle enerjisine sahiptir. Öyle ki,
80keV’ lik bir ön hızlandırıcı, elektronların hızını 0,5c’ ye kadar çıkartılabilir. Hızlandırıcıda
dalganın verimli bir şekilde elde edilebilmesi için gerekli olan düzenlemeler, istenen dalga
hızına bağlıdır. Proton, ağır iyon ve elektronlar için linakların düzenlenmesi farklıdır.
2.2.2.1.a) Proton ve Ağır İyon Linakları
İlerleyen dalga sistemi, parçacık hızlarının c’ den çok az olduğu durumlarda işlemez
çünkü; dalga, parçacığın hızını yakalaması için yeteri kadar yavaşlatılamaz. Eğer dalga hızı
parçacık hızından büyükse, dalga her bir parçacığı geçer. Geçerken azaltıcı kuvvetlerle
karşılaşır. Dalganın sinüzoidal değişiminin alan kısmında yavaşlatıcı kuvvetlerle karşılaşır.
İlerleyen dalga yerine, duran dalga kullanılırsa ve iletken sürüklenme tüpleri negatif alan
bölgesindeki parçacık izlerinin yakınına yerleştirilirse bu parçacıkların alanları korunur. Bu
sürüklenme tüpleri Şekil.2.4. de şematik olarak gösterilmiştir. Hızlandırma, sürüklenme
23
tüpleri ile negatif alanlar tarafından etkilenmeyen tüpler boyunca sürüklenen parçacıklar
arasındaki boşlukta veya aralıkta yer alır. Çoğu duran dalga lineer hızlandırıcıları, sürüklenme
tüpleri enine hareketi içermesi için odaklama aletleri bulundurur.
Şekil.2.4 Duran dalga sürüklenme tüplü lineer hızlandırıcının şematik görünümü
Sürüklenme tüpü (drift tubes) lineer hızlandırıcıları, proton veya ağır iyonların
hızlandırılmasında kullanılır. Yüksek yoğunluk demetleri üretme yeteneğindedir. Sürüklenme
tüplerinin bulunması duran dalga lineer hızlandırıcısındaki frekansın seçimini etkiler.
Hızlandırıcı frekans, sürüklenme tüplerinin çok küçük odaklama elemanları içermesi
nedeniyle çok büyük olmaz. Proton lineer hızlandırıcısında yaklaşık 200 MHz frekans
kullanılır. Ağır iyon lineer hızlandırıcıları daha düşük hızda enjeksiyon yapar.
Linaktaki RF boşluklar (kaviteler), yani hızlandırıcı bölgesi elektro magnetik alan
içerir. 200 MeV’ lik proton linakı yaklaşık 500 ft uzunluğundadır. Puls uzunluğu ortalama RF
gücü sadece birkaç kV olacak kadar kısadır. Her bir kavite için ayrı yükselticiler, ana osilatör
tarafından eş zamanlılık sağlar. 200 MeV’ lik protonların 200 mA’ lik pik akımları proton
sinkrotronu için enjektörlerle kazanılır. Puls uzunluklu lineer hızlandırıcılar, yüksek yoğunluk
istenilen uygulamalar için yapılır. Daha yüksek enerjiler için bir duran dalga linakı, ilerleyen
dalga linakına enjekte edilmek için kullanılır. Bu durumda parçacığın hızı ışık hızı(c) ile
karşılaştırılabilir değerdedir. Duran dalga linakları, sürüklenme tüpleri ve bakır linig,
neobiyum gibi süper iletken metaller ile yerleştirilebilir ve geri kalan sistem 2-4K süper
iletken sıcaklığına kadar soğutulur. Bir süper iletken ağır iyon linakı, ATLAS’ ta yer
almaktadır. Süper iletkenin kullanımı uzun puls ve sürekli dalga linakları için ekonomiktir.
Parçacıklar Faraday kanununa göre zamanla değişen magnetik alanla indüklenen elektrik
24
alanlar tarafından hızlandırılır. Bir lineer indüksiyon hızlandırıcısında, magnetik alanlar eş
zamanlı olarak puls şeklindedir. Lineer indüksiyon hızlandırıcıları, kısa pulslı (10-50 ns),
yüksek şiddetli (1000A) ve 10-50 MeV enerjili demetler üretmek için kullanışlıdır.
2.2.2.1.b) Elektron Lineer Hızlandırıcısı (linak)
Bu çeşit linakta dalga hızı, ışık hızından daha az olarak sabittir. Verimli bir iletken
düzenlemesi, ihtiyaç duyulan boyuna elektro magnetik hızlandırma dalgasını destekler. Bu
dalga kılavuzu silindirik bir borudur. Periyodik olarak çeyrek ve yarım dalga boyları arasında
yer alan diyaframlarla yüklenmiştir. Dalga hızı borunun çapı ile kontrol edilir ve dalga
boyuna yaklaşık olarak eşittir. Gücün aktığı hız, dalga kılavuzu diyaframındaki deliğin
boyutları ile kontrol edilir.
Böyle bir linakın çalışma dalga uzunluğu verimli bir hızlandırma için ve verimli bir
hızlandırıcı dalga ile taşınan mikrodalga gücünün üretimi için aynı zamanda bir ihtiyaç olarak
ortaya çıkar. Çalışılan dalga uzunluğu 3-30 cm’ dir ve bugün en çok 10 cm. kullanılır. 10 cm.
çalışma dalga boyunda 0,02mm. tolerans verilmelidir. Daha kısa dalga boylarında toleranslar
daha küçüktür. Doğru dalga hızının devam ettirilmesi dalga kılavuzu sıcaklığının 1 0 kesrine
regülasyonunu gerektirir.
Ana osilatör tarafından uygun senkronizasyonla çok sayıda birim ihtiyaç duyulduğu
kadar dizilebilir. Bakır (Cu) hızlandırıcı, dalga kılavuzu bunun metresi başına 3-5,4 MW’lık
bir güç için, uzunluğun metresi başına 15-20 MV’ luk etkin hızlandırıcı olarak devam
ettirilebilirler. Böylece Stanford Lineer hızlandırıcısının 3000 m çıkış enerjisi, 50 MW’ da
puls yapan güç yükseltici yaklaşık 50 GeV civarında olacaktır. Magnetron tüplerin birkaç
milyon elektronvolt çıkış enerjili linaklar için güç kaynakları olarak kullanıldılar. Klystron
amplifikatörleri mikrodalga frekanslarda geçerli seçimdir. Bugün Klystronlar 50 MW pik
gücünde ve birkaç mikrosaniye puls uzunluklu olarak yayılabilmektedir. 1GW’a kadar
kapasiteli tüpler, 1 mikrosaniyenin kesrine kadar düşünülmektedir.
Proton veya ağır iyon linakı gibi, normal bakır iletken yerine süperiletken yerleştirmek
mümkündür. [ niobium veya kurşun, sıvı helyum sıcaklığı (2-4,5 K0) çalışır] mikrodalga
gücünün miktarı hızlandırıcı alanı korumak için ihtiyaç duyulmaktadır, 10 5 -106 çarpanı kadar
azaltılmıştır.
25
2.2.2.2 Dairesel Hızlandırıcılar
Lineer hızlandırıcılara benzer şekilde, dairesel hızlandırıcılarda zamanla değişen
alanlar parçacıkları hızlandırmak için kullanılır. Ayrıca burada parçacıkları kapalı bir yol
etrafında bükerek tekrar hızlanan yapıya getirmek için magnetik alanlar olmalıdır.
Hızlandırıcı yapılar ve magnetik alanlar değişik hızlandırıcılarda çok farklı olabilir.
2.2.2.2 a) Siklotron
En eski dairesel hızlandırıcı Lawrance tarafından bulunan ve ilk olarak 1932 yılında
Lawrance ve Livingston tarafından kullanılan siklotron idi. Siklotronda, parçacıklar
siklotronun merkezine enjekte edilir ve dışa doğru spiral şeklinde hızlandırılır. Zamandan
bağımsız düzgün magnetik alan bükülme ile bu spirallerin oluşmasını sağlar. Siklotrondaki
geçit tüpler ‘dees’ denilen (içi boş) oyuklar şeklindedir. Parçacıklar ‘dees’ ler arasındaki
yarıktan geçerken hız kazanır. Şekil 2.5 Dee’ler içindeki siklotron yörüngelerini gösterir.
Yüksek enerjili parçacık, yörüngeler boyunca hızlı hareket eder fakat, yarıktan geçişler
arasındaki uzaklık büyüktür. Yarıktan geçişlerin frekansı ve bundan dolayı hızlandırma
siklotronda sabittir ve bu hızlandırılmış parçacık paketçikleri sürekli demet halinde getirir.
Nicel olarak denklem (2.2)’den m = eB, ayrıca  = w, o halde mw = eB ve w yarıçapa ve
enerjiye bağlıdır.
Hareket kanunlarına göre, parçacığın hızı ışık hızına yaklaştığında, yani özel
rölativitede, parçacığın kütlesi arttıkça enerjisi de artar, yüksek enerjili parçacığın hızı fazla
artmaz, bundan dolayı yarıktan geçişlerin frekansı azalır ve parçacıklar yoldan çıkar. Bu
sonuç 15 MeV’ de protonlar için önemli bir fark ortaya çıkarır. Bu enerji Lawrance
siklotronundaki en yüksek enerjidir. Bu problemi (hile yaparak) çözmek için çeşitli sistemler
bulundu.
Bunlardan
birisi
sinkro-siklotrondur.
Bu
hızlandırıcıda
gerilim
frekansı
hızlandırılmış parçacık paketçiklerini yörüngede tutmak için zorlar. Sinkrosiklotron
hızlandırılmış parçacık paketçiklerini anında oluşturur. Sinkrosiklotron protonları 750 MeV
enerjiye kadar hızlandırabilir. Bunlar büyük ölçüde bölge- odaklama siklotronları denilen
AVF (Azimuthaly Veriying Field) siklotronlardır. Burada magnetik olan yarıktan geçiş
frekansını sabit tutacak şekilde periyodik olarak değişir. Siklotronlara benzer şekilde, AVF
26
siklotronları da sürekli paketçik demetleri oluşturur. Şiddet olasılığı sinkrotrondakinden daha
büyüktür ve bilimsel araştırmalar için çok kullanılır.
Şekil 2.5 Siklotronun şematik tasarımı
2.2.2.2 b) Mikrotron
Rölativistik etkiler siklotronlar için bir limit koyar. Elektronlar için düşük enerjilerde
en uygun olan mikrotrondur. Basit bir mikrotronda elektron yörüngeleri hızlandırma
kavitesine teğet olan bir dizi dairedir. Bu dairelerden her birinin dönme periyodu hızlandırma
gerilimi toplam periyot sayısından farklıdır ve elektron bunchları hızlandırma gerilimi ile aynı
fazdadır. Bu basit yörüngeler Şekil.2.6’da gösterilmiştir. Mikrotronlar koşu yolu biçiminde
yapılır ve elektronları 100 MeV’den daha büyük enerjilere kadar hızlandırmak için kullanılır.
Şekil 2.6 Mikrotronun şematik tasarımı
27
2.2.2.2 c) Sinkrotron
1 GeV’ den büyük enerjiler farklı şekilleniş sinkrotron gerektirir. Önceki tartışılan tüm
dairesel hızlandırıcılarda magnetik alanlar zamanla değişmez idi. Sinkrotronda parçacığın
enerjisi hızlandırma gerilimin radyo frekansına bağlı olarak arttıkça, magnetik alanda artar.
Bu durum, sinkrotron için grafik Şekil 2.7’de gösterilmiştir. Parçacık yörüngesinin yarıçapı
sabittir. Sinkrotron magnetik alanlarının sabit alan şekillenişlerinde olduğu gibi, tam daire
değil de, daha çok tamamen küçük deliklere kadar yayılması gerekir. Bundan doalyı
sinkrotron GeV mertebesindeki enerjiler için daha ekonomik tasarımdır. Çevre uzunluğu 4
mil, yani 6 km. olan en büyük sinkrotron protonları bir TeV’ e yakın enerjilere kadar
hızlandırılabilir.
Şekil 2.7 Bir sinkrotronun işletim devri
Elektron
sinkrotronlarının
prensibi
ve
magnetik
alan
şekillenimi
proton
sinkrotronlarındaki gibidir, fakat elektron sinkrotronlarının kendine has özellikleri de vardır.
Yüklü parçacıklar hızlandıkları zaman elektro magnetik ışıma yaparlar. Hızlandırıcılar da
buna sinkrotron ışıması (radyasyon) denir. Elektron gibi hafif parçacıklar, eğer içe doğru
dönmeyip duvarla çarpışıyorsa o kadar büyük enerji kaybı olur ki, bunun tekrar sağlanması
gerekir. Elektronun kinetik enerjisi T ve dairenin yarıçapı  olmak üzere, her devir başına
enerji kaybı T,
T = 88,5 (T4/)
28
(2.7)
şeklindedir. Burada T GeV ise T KeV mertebesinde olur,  ise m. boyutundadır. Sinkrotron
ışıması şeklindeki bu enerji kaybı T arttıkça, hızlı bir şekilde artar. Hızlandırıcı sistem bu
enerji kaybını ortadan kaldırmak için, çok iyi bir hızlandırma gerilimini sağlamalıdır. Radyo
frekans sistemleri bu işlemi yerine getirmek için o kadar büyük olmalıdır ki, yüksek
enerjilerde elektron sinkrotronları lineer hızlandırıcılara göre hiç ekonomik değildir.
2.2.2.2 d) Depolama Halkası
Depolama halkaları genel görünüş açısından sinkrotronlarla aynıdır. Eğici magnetik
alanlar zamana göre sabittir ve parçacık demetleri devamlı döner. Bazı projelerde iki
depolama halkası birbirine sarılmış şekilde olur, parçacık demetleri zıt yönlerde döner ve
kesişme noktasında çarpışır. Başka projelerde, parçacık ve anti-parçacık demetleri
(elektronlar ve pozitronlar veya protonlar ve anti-protonlar) aynı yolda ve aynı magnetik
alanda zıt yönlerde dönerler. Burada, demetleri çarpışmadan sonra işaretlenen çarpışma
noktasında tutan küçük yardımcı alanlar da vardır. Elektron sinkrotronlarına benzer şekilde
elektron depolama halkalarında da sinkrotron ışınımı ulaşabilecek enerjiye bir limit koyar.
Günümüz teknolojisiyle süper iletken mikro dalga boşlukları kullanılarak depolama
halkalarında birkaç 100 GeV enerji elde edilebilir.
2.2.2.2 e) Betatron
Lineer hızlandırıcılar gibi, parçacıkları dairesel indüksiyonla da hızlandırmak
mümkündür. Dairesel indüksiyon hızlandırıcılarına Betatron denir. Bunlar elektron
hızlandırmak için kullanılır, çoğu betatron tıbbi ve endüstriyel amaçlarla 20- 30 MeV enerjili
elektronları elde etmek için kullanılır. En büyük betatron 300 MeV enerjili elektronlar
üretebilir.
29
3
HIZLANDIRICILARIN FİZİĞİ
3.1 GİRİŞ
Parçacık hızlandırıcıları iyi bilinen doğa yasalarına göre çalışırlar. Bunlar elektro
magnetizma yasaları çerçevesinde e.m. alanlarda yüklü parçacıkların hareketini yöneten
elektrodinamik yasalardır. Hızlandırıcıların araştırılması ve gelişimi bilimin aktif bir alanıdır
fakat; bu alan yeni yasaları araştırmaktan ziyade bilinen yasalardan yararlanır. Hızlandırıcılar
aynı zamanda yeni yasaların araştırılmasında kullanılan araçlardır.
Bir elektrik alanda hareket eden yüklü bir parçacığa alan doğrultusunda bir kuvvet etki
eder (yük negatifse zıt yönde) ve Şekil 3.1.’ de gösterildiği gibi hızlandırılırlar. Böylece hızı
ve kinetik enerjisi artacaktır. Kuvvet ‘F=q.E’ ile verilir, burada “q” parçacığın yükü “E”
elektrik alanıdır. “q” coulomb ve “E” volt/metre olarak ölçülmüşse “F” Newton cinsinden
verilir.
Şekil 3.1 a) Elektrik b) Magnetik Kuvvetler
30
Bu parçacık hızlandırıcısının temel işletim mekanizmasıdır. Elektrik alan ya zaman
içinde sabittir ki bu durumda parçacıklar sürekli hızlandırılır ve dışarıya kararlı demet olarak
çıkarlar ya da zaman içinde değişkendir ki bu durumda parçacıklar alanın uygun doğrultuda
olduğu anlarda hızlanırlar ve demet paketçikli yapıda oluşur.
Durgun magnetik alandaki yüklü bir parçacık üzerine iki vektör tarafından oluşturulan
düzleme dik doğrultuda bir kuvvet etkir. Bu vektörler Şekil 3.2’de gösterildiği gibi magnetik
alan vektörü ve parçacığın hız vektörüdür. Magnetik alanla aynı doğrultuda hareket eden bir
parçacık herhangi bir magnetik kuvvet meydana getirmez. Çünkü durgun magnetik alandaki
parçacığın üzerindeki kuvvet hızına diktir, parçacık üzerinde hiçbir iş yapılmaz ve enerjisinde
bir değişim olmaz. Dairesel hızlandırıcıdaki enerji artışı magnetik alandan değil hızlandırıcı
sisteminden ileri gelir. “” hızıyla “B” magnetik alanına dik olarak hareket eden bir parçacık
üzerine etkiyen kuvvet:
F=qB
(3.1)
B Tesla (1 Tesla:104 Gauss) ve  metre/saniye olarak ölçülürse kuvvet Newton cinsinden
çıkar. Magnetik alan parçacığı  yarıçaplı bir daire üzerinde büken merkezcil kuvvet sağlarsa
o zaman,
m2/=qB
(3.2)
olarak verilir ve p momentumu ile yarıçap ve alanın çarpımı arasında bir bağıntı ortaya çıkar.
P=m=qB
(3.3)
Böylece hızlandırma sırasında parçacığın momentumu artarsa siklotronda olduğu gibi eğrinin
çarıçapı veya sinkrotronda olduğu gibi magnetik alanda artmalıdır. Bu P=qB bağıntısı
dairesel hızlandırıcılar için oldukça temeldir. Özel rölativitenin etkilerini kapsayan yavaş ve
hızlı parçacıklar için geçerlidir. Pratik hesaplamalar için B Tesla,  metre ve P Mev/c (burada
“c” ışık hızı) olarak verilmişse;
P=300B
(3.4)
31
Magnetik alanların zamanla değişimi parçacıkların enerjilerini artırmalarında
kullanılmaktadır. Lineer indüksiyon hızlandırıcıları ve betatronda parçacıkların enerjilerini
artıran bir elektrik alanın indüklenmesinde zamanla değişen bir magnetik alan kullanırlar.
Dairesel hızlandırıcılarda hızlandırma sırasında parçacıkların yörüngeleri çok uzundur,
bazen birkaç bin kilometreyi bulur. İdeal yörüngeye gelince bir açı ile fırlatılan (pompalanan)
parçacık bu uzun mesafe boyunca her defasında daha fazla yoldan sapacaktır ve parçacıkları
ideal yörüngelerine doğru geri odaklayacak bazı araçlar sağlanmadıkça magnetik alanın sınırı
terk edecek ve kaybolacaktır. Bu odaklama magnetik alanın dikkatlice düzenlenmiş uzaysal
gradyenlerinin varlığı ile başarılır. Odaklama hızlandırıcı dizaynının en önemli ögelerinden
birisidir.
Biz burada bir parçacık hızlandırıcısı ile bir nükleer reaktör arasındaki farkı
vurguladık. Bir hızlandırıcıda parçacıklar odaklanır ve aynı enerji ile doğrultuda hareket eden
bir demet oluşturulur. Bir reaktörde ise parçacıklar ısıtılır ve gelişi güzel doğrultularda sıcak
bir gazın geniş enerji dağılımı ile hareket ederler. Bunlara ek olarak reaktör parçacıkları
nükleer kuvvetlerle, hızlandırıcı ise elektro magnetik kuvvetlerle hızlandırılır. Bu elektro
magnetik kuvvetler hızlandırıcıya salınan elektrik gücü kesildiğinde biter. Böylece
hızlandırıcı kapatıldığında arta kalan küçük etkiler dışında hızlandırıcıdan gelen ışıma durur.
3.2 HIZLANDIRICILARDA PARÇACIK HAREKETİ
Bir hızlandırıcıdaki parçacıkların hareketinin dinamiğinin incelenmesi hızlandırıcı
biliminin en önemli parçalarındandır. Parçacık dinamiğinin önemi, kısmi olarak bir çok
değişik türdeki hızlandırıcıda parçacıkların hızlandırma veya depolama yönünde çok büyük
mesafeler boyunca (bazen birkaç milyon mil veya kilometre boyunca) hareket ettikleri
gerçeğinden ortaya çıkar. Küçük pertürbasyonlara ve hatalara karşı kararlılık, parçacıklar
hızlandırıcıda bu mesafeler boyunca yörüngede kalıyorsa geçerlidir.
Buna ek olarak, bir çok hızlandırıcıda parçacık yoğunluğunun mümkün olduğu kadar
yüksek tutulması istenir. Yüksek şiddetlerde, yüklü parçacıklar boyunca ortaya çıkan
elektromagnetik kuvvetler ve uzay yükü önemli olabilir. Hızlandırıcıda kararlı bir demet
üretmek için parçacıklar hızlandırma sırasında ideal yörüngeler civarında sadece küçük
32
osilasyonlar (salınımlar) yapacaktır. Bu osilasyonlar ideal yörüngeye göre enine ve aynı
yörünge boyunca boyuna doğrultuda olmak üzere her iki doğrultuda da oluşacaktır. Enine ve
boyuna hareketlerin birleştiği ( çiftleştiği) durumlar olmasına rağmen birçok hızlandırıcıda
birleştirme şekillenimi çok küçüktür ve bizim yapacağımız gibi bu hareketin iki çeşidi ayrı
ayrı tartışılacaktır.
3.2.1 Enine Hareket
3.2.1.1 Betatron Salınımları
Enine salınımlar betatron salınımları olarak adlandırılır. Çünkü Kerst ve Serber
bunlarla ilgili ilk açık tartışmayı Kerst’ in ilk başarılı betatronunu gerçekleştirmesiyle
bağlantılı olarak sunmuşlardır. Gerçekte enine salınımların hareket denklemleri daha önce
Walton tarafından ve siklotronlar için en kullanışlı haliyle Tomas tarafından sunulmuştur.
Baştan beri amaç enine hareketi dinamik olarak kararlı hale getirmektir, böylece ideal
yörünge civarına pompalanan parçacıklar bu civarda kalacaklardır. Bazı kısa hızlandırıcı
sistemlerinde bu demetin parçacık kaynağında odaklanmasıyla başarılabilir. Fakat daha uzun
hızlandırıcılarda bu kararlılığın başarılabilmesi için yörünge boyunca yeniden depolayıcı
kuvvetlere ihtiyaç duyulur. Bu yeniden depolayıcı kuvvetler dış elektrik ve magnetik alanlarla
sağlanır.
Enine hareket tartışmasında hızlandırma işleminin etkilerini, aynı zamanda parçacıklar
arasındaki uzay yükü kuvvetlerini ihmal edebiliriz ve böylece zamanla sabit bir dış alan
içindeki tek bir parçacığın hareketini inceleyebiliriz. Bu alanın uzayda sabit olması gereklidir
ve mesafe ile oluşan değişiklikler odaklama için önemlidir.
3.2.1.2 Betatronda Zayıf Odaklama
Şimdi dairesel bir hızlandırıcıdaki enine magnetik alan koşulunu düşünelim, alan
parçacığı kapalı bir yörünge etrafında büksün. Burada kapalı yörünge düzlemindeki radyal
doğrultu “kenar ortay düzlemi” ve z yörünge düzlemine dik doğrultudur. Yörünge boyunca
mesafe ‘s’ dir. Dikey magnetik alan Bz r’ nin bir fonksiyonu olarak değişiyorsa ( bir
gradyente sahipse), Maxwell denkleminde (  =0) olduğu gibi kenar ortay düzleminin
33
dışındaki pozisyonlarda bir radyal Br alanı vardır. s doğrultusunda hareket eden parçacık
kenar ortay düzleminden uzaklaştıkça, bir dik kuvvetin etkisi altında kalır. Dikey alan yarıçap
ile azalıyorsa (dBz/dr  0), z pozitif veya negatif olsa da kuvvet, parçacığı z=0’ a doğru geri
saptırır. Kuvvet Şekil 3.2’de gösterilmiştir. Diğer yandan dBz/dr0 ise kuvvet daima kenar
ortay düzleminden dışa doğrudur.
Şekil 3.2 Bir eğici magnet içinde radyal alan ve düşey kuvvet
Böylece kılavuz alan yarıçap ile azalıyorsa kenar ortay düzlemden harekete başlayan
parçacık daha büyük z’ lere doğru hareket ettikçe kenar ortay düzlemden dışarı doğru olan
hareket kararlı olacaktır. Bu dikey odaklama deneysel olarak ilk siklotronlardan bulunmuş ve
nitel olarak günümüzde anlaşılabilmiştir. Kerst tarafından nicel hale getirilmiştir.
Azalan bir alanda, parçacık üzerindeki radyal kuvvet yarıçap ile azalır. Bununla
beraber m kütleli ve v hızlı parçacığı r-1/r olarak azalırken r yarıçaplı halka üzerinde tutmak
için mv2/r merkezcil kuvvetine ihtiyaç vardır. Böylece, alan 1/r’ den daha yavaş azalırsa daha
büyük yarıçaptaki bir parçacık kendisini ideal yörüngeye doğru geri odaklayan daha büyük bir
kuvvet hisseder ve parçacık üzerinde yatay veya radyal odaklanma oluşur. Kerst bu sonuçları
bağıl türev veya alan indisi,
n = -(r/B)(Bz/r)
(3.5)
olarak tanımlamış ve her iki enine doğrultuda odaklama için koşul,
0n1
(3.6)
34
olmasıdır. Bu zayıf odaklamada yatay ve dikey odaklamalar birbirini tamamlayıcıdır. Öyle ki,
biri çoğalırken diğeri azalır, dikey ve yatay yarıklar arasındaki dizayn içinde bir denge söz
konusu olur. Örneğin siklotrondaki alanlar yarıçapa bağlı olarak çok küçük miktarda azalır ve
dikey odaklama çok zayıf kalır.
Zayıf odaklamalı birçok siklotronlar inşa edilmiş ve başarıyla çalıştırılmıştır fakat,
ideal yörünge civarındaki salınımların genlikleri daha büyük bir hızlandırıcıda daha büyük
olmakta (yaklaşık olarak yarıçapla orantılıdır), Cosmotron (3GeV) ve Betatron (6GeV) proton
hızlandırıcılarında 10-20 cm’ ye ulaşmaktadır. Osilasyon genlikleri birkaç metrelik olabildiği
kadar büyük değerlere ulaşabildiğinde daha yüksek bir enerjideki hızlandırıcıda zayıf
odaklamanın kullanımı son derece pahalı olmaktadır.
Kuvvetli odaklama bu zorluğu değişken gradyent serileri kullanarak yenmektedir.
Böylece yatay ve dikey odaklamanın her ikisi için de değişken-gradyentli odaklama mümkün
olur. Bir değişken gradyent serileri parçacığı Şekil 3.3’te görebileceğimiz gibi optik lenslerin
değişken serisine benzer bir davranışla odaklar. Bir ışın eksene yakınsak (odaklayıcı)
merceklerde, ıraksak (dağıtıcı) merceklerde olduğundan daha uzaktır ve daha keskin bir
şekilde bükülür. Böylece sonuç net odaklama şeklindedir.
Şekil 3.3 Lensler içerisinde ışınların odaklanması
Yatay bir hareket için odaklayıcı olan gradyent dikey hareket için dağıtıcıdır fakat,
değişim her ikisinde de bir odaklama meydana getirir. Zayıf odaklanmayı sınırlayan
tamamlayıcılık önlenmiştir ve odaklama daha kuvvetli olabilmektedir. Gradyentler
hızlandırıcının çevresi boyunca devir başına sabit sayıdaki periyotlarla periyodik olarak
35
değişir. Büyük bir sinkrotrondaki osilasyon genlikleri birkaç santimetre veya daha küçük
boyuttadır ve vakum odacıkları ile mıknatıs yarıkları buna uygun olarak küçüktür.
Bir parçacık ideal yörüngeye zorlanırken betatron osilasyonlarını bu yörünge civarında
meydana getirecektir. Bu osilasyonlar genellikle hızlandırıcı etrafındaki devir başına
tamamlanmış osilasyonların sayısı olan  ile karakterize edilir. Yatay osilasyonlar için r ve
dikey osilasyonlar için z ayrı değerler alır. Bir zayıf odaklama hızlandırıcısında osilasyonlar
sinüzoidaldir ve her iki  değeri birden küçüktür. Bir kuvvetli odaklama hızlandırıcısında
Şekil 3.4’de gösterildiği gibi odaklama sinüs dalgası etrafındaki periyodik gezinmelerle, bu
osilasyonlar ortalama değer üzerinde sinüzoidaldir. r ve z genellikle birden büyük olarak
düşünülür. Böylece bir zayıf odaklama hızlandırıcısında osilasyonlar aşağıdaki formüllere
sahip olurlar.
Şekil 3.4 Değişken Gradyenli Yapı İçerisinde Parçacık Salınımı
( + Fokuslama
- Dağılma )
r = ro+Arcos(rs/R+r)
z = Azcos(zs/R+s)
(3.7)
burada Ar ve Az genlikleri ile r ve s fazları pompalamadaki başlangıç koşullarıyla belirtilir.
36
Bir kuvvetli odaklama hızlandırıcısında osilasyonlar aşağıdaki formlara sahiptir.
r  ro  Ar r ( s )Cosr ( s )  r 
(3.8)
z  Az  z Cosr ( s )  r 
s
ds
0 r ( s )
r ( s )  
(3.9)
ve
s
ds
0z ( s )
z ( s )  
r ve s periyodik fonksiyonları betatronun genlik fonksiyonlarıdır. Denklem (3.8)’ de genlik
 ile periyodik olarak değişir. Denklem (3.9)’ de faz 1/ olarak ilerler böylece  salınımın
ani dalga uzunluğudur. Genlik fonksiyonu ve  değeriyle ilişkilidir çünkü, r ve z’ nin her ikisi
için de devir başına toplam faz ilerlemesi
2R ds
( 2R )  2  
0 ( s )
(3.10)
Bir parçacık demetini oluturan parçacıklar değişik açılarda ve ideal yörünge civarında
değişik konumlarda olabilirler. Şekil 3.6’ da verildiği gibi eksenleri verilen bir s noktasındaki
pozisyonu ve açısı olan bir uzaydaki parçacık grubunun hareketini çizmek oldukça öğreticidir.
Bu faz uzayı olarak adlandırılır. Grup hızlandırıcı etrafında hareket ettikçe ve s değiştikçe,
grubu kapsayan şekil zayıf olarak değişecektir fakat alanı sabit kalacaktır. Açı ve konumdan
oluşan faz uzayında kaplanan alan hızlandırma işlemi boyunca sabit kalır. Bu Liouville
teoremi olarak adlandırılan genel dinamik kuralından çıkar. Bu teoreme demet dağılımı ve
soğutumu tartışmalarında geri döneceğiz.
İdeal bir hızlandırıcıda yatay ve dikey hareketler birbirinden bağımsızdır ve her biri
ayrı iki boyutlu faz uzayına sahiptir. Gerçek bir hızlandırıcıda lineer olmayan yeniden
depolayıcı kuvvetler, magnetik alan eksiklikleri veya mıknatıs ayarlama kayıpları yatay-dikey
çiftlenimini ortaya çıkarabilir ve iki hareket birbirine etki edebilir. O zaman faz uzayları
37
birbirinden bağımsız olmaz fakat, parçacıklar tarafından işgal edilen birleşik faz uzaylarının
4- boyutlu hacmi sabit kalır.
Şekil 3.6 Enine konum-açı faz uzayında parçacıkların doldurduğu elips
Magnetik alan hataları ve mıknatıs ayarlama kayıpları demette zorlanmış osilasyonlara
sebep olarak demet yörüngesinde bozulmalara (bükülmelere) neden olabilir, böylece kapalı
bir yörünge olan merkezi yörünge periyodik olarak zorlanmış salınım içinde hareket eder ve
bütün parçacıklar bu kapalı yörünge civarında salınırlar o zaman faz uzayı tarafından işgal
edilen bölge ve zorlanmış salınım içinde hareket eder.  değeri bir tam sayıya yakınsa kapalı
yörünge osilasyonu çok büyük olur ve demet hızlandırıcıyı çok hızlı bir şekilde terk edebilir.
Bu toplam rezonans; mıknatısların dikkatli bir şekilde yapılanması ve sıralanması ayrıca 
değerinin tam sayılardan kaçınması ile kontrol altında tutulabilir.
Kuvvetli odaklamalı bir hızlandırıcısıda  değeri bir yarım tam sayı ise magnetik alan
gradyentlerindeki hatalar salınımı
kapalı yörünge civarında kararsız hale getirebilir. Bu
durumda alan hala korunuyor olsa bile faz uzayının işgal ettiği bölge gerilip uzatılır ve
parçacıklar çok büyük osilasyon genliklerine ulaşır. Yarı integral (toplam) rezonansları kadar
önemli değildir, fakat bunlardan kaçınmak için yapılanmada ve sıralanmada dikkatli
olunmalıdır
İdeal bir hızlandırıcıda bulunan bütün parçacıklar tam olarak aynı momentuma sahip
olmazlar. Her bir parçacığın momentumu aynı zamanda boyuna osilasyonlar sırasında ideal
momentuma bağlı olarak da değişir. Momentumu merkezcil momentumdan faklı olan
parçacık kapalı yörünge civarında enine zorlanmış salınımlara uğrayacaktır. Bütün bunlar faz
uzayında parçacık gruplarının üst üste katlanması şeklinde görünür. Bu olay optiktekine
benzer olarak yayınım şeklinde adlandırılır.
38
Bir değerine doğru odaklamış olması için gradyent bir mıknatıs veya kuadropolde
olduğu gibi değişik yörüngelerdeki iki parçacığın değişik magnetik alanlara doğru hareket
etmesi gerekir. Değişik uzunluklar Şekil 3.7’ de gösterildiği gibi köşeleri parçacık
yörüngelerine dik olmayan mıknatıslar inşa edilerek başarılabilir. Bu köşe odaklaması AVF
siklotronlarında kullanılmaktadır. Eğer bir köşe eğimli ise yörünge uzunluğu yarıçap ile artar,
köşe yatay olarak yayıcı, dikey olarak odaklayıcıdır.
Bir radyal kısım AVF siklotronunda akıntıya karşı ve akıntı yönündeki mıknatıs
köşelerinin her ikisi de dikey odaklayıcıdır. Radyal odaklama kılavuz alanın yarıçapa bağlı
olarak arttırılmasıyla sağlanır. Bu sisteme Thomas odaklanması denir. Bir spiral kısım AVF
siklotronunda, bir köşe dikey odaklayıcı diğeri dikey yayıcıdır. Değişken gradyent
odaklamasına benzer olarak değişken köşe odaklanması sağlar.
Şekil 3.7 a) Gradyen ve b) Kenar odaklaması
3.2.1.3 Lineer Hızlandırıcılarda Enine Hareket
Yüksek voltaj hızlandırıcılarındaki parçacık yörüngeleri bütün hızlandırıcı için uygun
odaklamayı pompalamada başarabilecek kadar kısadır. Küçük radyo frekans elektron lineer
hızlandırıcılarında dış odaklamaya ihtiyaç yoktur. Daha uzun elektron lineer hızlandırıcı
yapıları odaklama mıknatısları için periyodik olarak kesilmektedir.
Lineer hızlandırılan proton demetleri odaklanmaya kısmen ihtiyaç duyarlar çünkü,
enine ve boyuna hareketler sinkrotronlardan olduğundan daha yakındır, çiftlenimlidirler ve
39
boyuna hareketten gelen enerji enine salınımı sürebilir. Bir lineer hızlandırıcıda merkezcil
kuvvet yoktur. Bu yüzden zayıf odaklanmayla bir benzerliği yoktur. Kuvvetli odaklama
geliştirilmeden önce bir çok proton lineer hızlandırıcıları; elektrik alan değişimini boyuna
uzaklık ve yarıçapına bağlı olarak düzenlemek için ve parçacıkları yayıcıdan ziyade
odaklayıcı bir hale getirmek için sürüklenme tüpü borusunun açılışına yerleştirilmiş tel
ızgaralara sahiptirler fakat, ızgaralar birçok parçacık demetini durdurduğu ve demetler
tarafından ısıtılıp yakıldığı için yüksek yoğunluktaki demetler için uygun değillerdir.
Kuvvetli odaklama geliştirildikten sonra drift tüplerin içine kuadropol odaklama
mıknatısları inşa edildi ve lineer hızlandırıcılar yüksek yoğunluk hızlandırıcılarına dönüştü.
Son zamanlarda kuadropol odaklama (RFQ) üretmek için radyo frekans alanı şekillendirme
metotları geliştirildi ve bu çok yüksek yoğunluklarda bile çok düşük demet kayıpları sağlandı.
Hızlandırıcıdan çıkan demetler ve hedefte üretilen ikinci demetler bükme
mıknatıslarının ve kuvvetli odaklama merceklerinin peş peşe kullanımı ile yönetilebilmekte
ve odaklanabilmektedir. Bu demet çizgileri optimal odaklama konfigürasyonunda kullanım
noktasına demetleri getirmek için kullanılır.
3.2.1.4 Sinkrotron Örgülerinde Enine Hareket
Bir sinkrotron örgüsü sinkrotronun çevresi boyunca bükme ve odaklama
mıknatıslarının periyodik düzenlemesini içerir. Odaklama, genlik fonksiyonları ve yayılımları
hepsi örgüye bağlıdır. İki gelişme bu fonksiyonları değiştirmeyle istenilen optimal yörünge
özelliklerini mümkün kılmıştır.
 Ayırıcı fonksiyonlu mıknatıslar
Parçacıklar hızlandırıcı etrafında yarıçaptan bağımsız dipol alanlar tarafından
bükülürler merkezi yörüngeye yakın kalmaları için merkezden olan uzaklıkla lineer olarak
değişen kuadropol alanlar tarafından odaklanırlar. Kuvvetli odaklanmanın başlangıçtaki
kabulünde bükülme ve odaklamanın iki fonksiyonu bir gradyent mıknatıs içinde
birleştirilmiştir (bir bileşik fonksiyon örgüsünde). Bir ayrık fonksiyon örgüsü bu iki
fonksiyonu ayrık mıknatıslara taşır, bu kafes daha etkilidir. Çünkü, bükme alanı mıknatıs
boyunca aynıdır ve mıknatısla elde edilebilen maksimum alan tarafından sınırlandırılmaz. Bir
40
bükme alanı bir gradyent mıknatısta belirli alan bükülmesi olmaksızın 1,3 T’dan daha
yükseğe çıkması oldukça zorken ayrık fonksiyonlu sıradan güç dipolünde kolaylıkla 1,8-2 T
arasında değerler alabilir. Farklı bir gradyent mıknatısın düzenlenmesini olukça zor olduğu
süper iletken mıknatıslarda bile oldukça çarpıcıdır. Odaklama bir ayrık fonksiyon örgüsünde
de oldukça etkilidir. Çünkü odaklama mıknatısları genlik fonksiyonu ’nın büyük olduğu
yerlerde, dağıtıcı mıknatıslar ise genlik fonksiyonu ’ nın küçük olduğu yerlerde
yoğunlaştırılmıştır. Ayrık fonksiyonlu mıknatıslar depolama halkalarında kullanılır.
 Uzun düz kısımlar
Sıradan bir örgü; düzgün kısımlara ve mıknatıslar arası serbest alan boşluklarına
sahiptir. Hızlandırma boşlukları pompalama ve depolama halkalarındaki deneyler için
kullanılan parçacık detektörleri gibi gerekli yardımcı cihazların tanıtımı için uzun düzgün
kısmının kullanışlı olduğu gösterilmektedir. Hızlandırıcının normal bükülme yayları (ark)
yardımcı ekipmanı yerleştirmek için gerekli serbest alan bölgeleri tarafından kesilmişse
demetlerin doğal farklılığı aşağı yarık ihtiyaçlarını sonuçlandıracaktır. Bu ayrılık birkaç ayrı
odaklama kuadropollerinin kullanımıyla, ihtiyaç duyulan boşluğa kesin bir şekilde
yüklenmeksizin örgünün odaklama özelliklerini korumak için yok edilebilir. Yoğunlaştırılmış
merceklerin periyodik sıraları ve alt kafesleri, daha çok keyfi uzunlukların serbest alan
bölgeleri olmak üzere, bu düzgünlüklerin düzenlenmesine izin verilir.
3.2.1.5 Enine Hareketin Deneysel Ölçümü
Kaba işlemlerle bir parçacık hızlandırıcısını demet ölçümleri yapmaksızın çalıştırmak
mümkün olmaktadır. Geçekten ilk hızlandırıcılar bu yolla, sadece son hızlandırılan demetin
bir hedefe çarpmasından gelen demet izleri ve x- ışınları veya radyoaktivite elde edilmesiyle
çalıştırılmışlardır. Bununla beraber hızlandırma işlemi veya depolama boyunca demetin
konumu ve boyutu biliniyorsa bir hızlandırıcı çok daha yüksek yoğunluklarda çok daha kolay
çalıştırılabilir.
Demet ölçümünün ilk metotları siklotronda düzeltilebilir yarıçaplarda demeti
durdurmak için hareketli parçacıkların kullanımıdır. İlk sinkrotronlarda proplar ışığı
geçirebilen pencerelerden gözlenen flüoresan ekranlarla yer değiştirilmişti. Bu ilkel aletleri
bazen hala demetlerin çevrimi için yapılan araştırmaların ilk aşamalarında günümüzde enerji
41
flüoresan ekranları, televizyon kameraları kullanımıyla zayıf olarak görüntülenebilmesi için
yeterli derecede yüksek olmasına rağmen kullanılmaktadır.
Devir halindeki bir demetin kütle merkezi sürekli bir şekilde demet kollarının elektrik
alanlarının düzeltme elektronları kullanılarak ortaya çıkarılmasıyla veya her durumda demeti
çevreleyen magnetik alanların düzeltme bobinleri kullanarak ortaya çıkarılmasıyla da
ölçülebilir. Bu metotların kullanılmasıyla
verilen konumlarda enine pozisyonların ve
hızlandırıcı voltaja bağlı olarak demet kollarının fazını ölçmek mümkündür. Düşey açının
fonksiyonu olarak enine pozisyon tam olarak yukarda tartışılan kapalı yörüngedir. Demet
kapalı yörünge üzerinde merkezi olarak yerleştirilmiş bir yük tüpü olarak görülür. Kapalı
yörünge
ifadesi
düzeltme
mıknatıslarındaki
akımların
oluşmasından
bükülmelerin
azalmasında ve mıknatıs ayarlamalarının analizinde kullanılır. Kapalı yörünge ve demet faz
açıklamalarının ikisi beraber kesim 2.2’ de tartışılan RF geri besleme sistemlerine giriş olarak
kullanılır. Ölçülmüş bir kapalı yörünge Şekil 3.8’de gösterilmektedir.
Parçacık bükülmesi ve odaklaması üzerine bir diğer önemli pratik görüş hızlandırıcıda
artık gaz kullanımıyla saçılma yapılmasıdır. Özel uzay yük etkilerini ihmal ettiğimizde tek
yüklü parçacıklar veya düşük yoğunluktaki demetler normal basınçtaki birkaç fitlik havada
bile önemli saçılma ve difüzyon sağlarlar. Buna göre demet boşaltılmış bir uzay içinden
geçmelidir. Genellikle sıkı bir (su geçirmez) metalden veya seramikten yapılmış vakum tüpü
demeti çevreler ve pompalarla boşaltılır. Bir çok hızlandırıcıda 10-8 atmosferlik bir artık
basınç kabul edilebilir değerdedir. Etkili yörünge uzunluğunun birkaç milyar kilometre ( şu
anda mevcut olan en iyi vakum 10-11-10-12 atm) olabildiği depolama halkalarında mümkün
olan en iyi vakuma ihtiyaç duyulur.
Demet şeklinin ölçülmesi, aynı zamanda demet ile yapılan artık gazın iyonizasyonun
kullanımıyla veya düzeltme konumlarındaki dağılım fonksiyonlarından elde edilen bilgiyle
yapılan demet elektrik alanın frekans, spektrum analiziyle de mümkün olmaktadır. Parçacık
demetinin sadece bir kez geçtiği yerlerde ızgara telleri iyonizasyonla yapılan bağlantıda
kullanılabilir veya tek bir tel demetin içinde hızlı biçimde hareket ettirilebilir. Hızlandırıcı
sisteminde değişik yerlerdeki iki ölçüm faz uzayındaki dağılımı vermek için birleştirilebilir.
42
Şekil 3.8 Ölçülmüş yörünge özellikleri (Emittans)
3.2.2 Boyuna Hareket
3.2.2.1 Giriş
Yüksek voltaj hızlandırıcıları veya indüksiyon hızlandırıcıları ( betatronlar) içinde
hızlandırılan parçacıklar farklı zamanda aynı hızlandırıcı alandan geçirilir ama, radyo frekans
alanından yararlanan hızlandırıcılarda parçacıkları hızlandırmak için ( lineer hızlandırıcılar,
mikrotronlar, siklotronlar ve sinkrotronlar) farklı zamanlardaki parçacıklar farklı hızlandırma
alanından geçirilerek ve bu sebeple farklı harekete sahip olacaklardır.
3.2.2.2 Boyuna Kararlılık ve Hızlandırma
Boyuna hareketin ne kadar gelişeceği parçacıkların enerjisine bağlı olan dönme
frekansına bağlıdır. Bu basit bir fiziksel örnekle gösterilebilir. Şekil 3.9’da ordinat
hızlandırma voltajı, absis ise zamandır. Böylelikle bu plan üzerindeki hızlandırma voltajı
sinüs dalgası olur. Şimdi bir dönme üzerinde aynı zamanda hızlandırma boşluğunu geçen iki
parçacık düşünelim. Bu iki parçacık geçene kadar voltaj yükselir. Birinci parçacık
hızlandırma voltajı basamağıdır ve boşluğu aynı zamanda ikinci zamanda geçer. İkinci
parçacık yüksek enerjiye sahiptir. İki seçenek düşünülebilir:
43
1. Dönme frekansları enerjiyle artar (d/dE0) dönme periyodu ikinci parçacık için
küçüktür ve daha erken sarar. Sinüs dalgası üzerinde kalır ve enerji kazancı birinci
parçacıktan az olacaktır. İki parçacık arasındaki enerji farkı, ikinci geçişten sonra
azalacaktır. Benzer olarak, düşük enerjili bir parçacık geç tamamlar, dalga
üzerinde yüksektir ve çok enerji kazanır, enerji farkı düşüşü tekrarlanır. Böylece
farklı
enerji
içinden
parçacıkların
bütün
grubu
artmayacak,
beraber
hızlandırılacaktır. Boyuna hızlandırma hareketi kararlıdır.
2. Dönme frekansı enerjiyle azalır (d/dE0). Şimdi ikinci parçacık daha geç varır ve
birinci parçacıktan daha fazla enerji kazanır. Bu her geçişte daha fazla enerji
kazanarak sürer ve enerji farkı sürekli artar. Böylelikle boyuna hareket kararsızdır
ve parçacıkların grubu dağılacak ve faydalı olarak hızlandırılamayacaktır
Voltaj dalgası için tesadüfen ortaya çıkan kurtarıcı bir durum vardır. Bu da voltajın
hızlandırmanın hala sağ yön içinde olmasıdır, fakat bu düşmektedir. Günümüzde daha az veya
daha çok voltaj tartışmaları sürmektedir. Ancak boyuna hızlandırma hareketi (d/dE0)’ lı
hızlandırıcılarda kararlıdır.
Peki d/dE’ yi ne etkiler? Bunun için iki faktör vardır: hızla giden yüksek enerjili bir
parçacığın frekansı zamanla artar. Ama bazı hızlandırıcılar içinde geçiş boşlukları arasındaki
farklı yörüngelerde gider ki dönme frekansı hemen hemen tüm durumlarda azalır. Bu iki
faktör farklı yönlerdedir. Bunların nasıl dengeleneceği hızlandırıcı çeşidine bağlıdır.
Lineer hızlandırıcılarda, tüm parçacıklar aynı yönde hareket eder ve yol
uzunluklarında farklılık yoktur, sadece hız farklıdır. Böylece d/dE her zaman negatiftir. Bir
mikrotron için de aynısı doğrudur. Kuvvetli odaklamalı sinkrotronlarda, hız farklı proton
hızlandırıcılarında düşük enerjide yol uzunlukları farkından büyüktür. Bu sebepten d/dE’
dır, ama yol uzunluğu farkı süreklidir ve hız farkı ışık hızına ulaşan parçacık hızlarında azalır.
Ta ki yüksek enerjide d/dE ‘ dır. d/dE sıfırken enerjinin geçişi vardır. Bu enerjide radyo
frekans hızlandırma voltajı kesilmeli, sonra parçacıkları ışınlamak için farklı göreli bir fazda
birkaç saniye içinde üzerine geri döndürülmelidir. Hızlandırmadan sonra dalganın arka tarafı
üzerinde sürer. Bu proton sinkrotronlarında pratikte zor değildir. Çok düşük enerjilerde ışık
44
hızı sonucunda hareket eden elektronlardan dolayı, tüm kuvvetli odaklamalı elektron
sinkrotronundaki geçiş enerjisi bu yüzden enjeksiyon enerjisinden düşüktür.
Bu tartışmada, siklotron kural dışıdır. Temelde, hız farkları ve yol uzunluğu farkları
henüz siklotronlarda dengelenememiştir ve onlar her zaman geçiş enerjisinde çalışırlar.
Pratikte, hızlandırılmış parçacıkların yetersiz marjinal kararlılığını veren sunulan tartışmanın
dışında, ufak etkiler vardır.
Şekil 3.9 Hızlandırma boyunca parçacığın bir gerilim üzerine binmesi
3.2.2.3 Faz Salınımları
Boyuna kararlılığın tartışılması nicel olarak yapılabilir. Nicel çalışmanın sonuçları
hızlandırıcı voltajın radyo frekansına bağlı olarak parçacığın fazına karşı parçacığın açısal
momentumunu verecek şekilde grafiksel olarak gösterilebilir. Bu faz 0’ dan 2’ ye kadar
değişebilir. Hızlandırıcı voltaj kapatılır ve bir grup parçacık halka etrafına kolayca dizilirlerse,
bu grup faz olarak 2’ in tam katlarına karşı gelen yatay gerilimli ve grubun enerji yayınımına
karşılık gelen açısal momentumdaki bir orana karşılık dikey gerilimli bir bant ile gösterilir.
Hızlandırıcı bir voltaj olduğunda, kararlı osilasyonları gösteren bir kapalı eğriler
bölgesi oluşur. Bu eğriler merkezde bölge üzerinde bir nokta olarak görülen bir denge fazını
çevreler. Bu fazda ve açısal momentumda harekete başlayan bir parçacık bütün bölge
hızlandırma işlemi sırasında yükselirken aynı yerde kalmaya devam eder. Kararlı bölgede
başlayan parçacıklar momentum ve fazda salınımlar yapan denge fazı civardaki kapalı bir eğri
üzerinde hareket edeceklerdir. Bu salınımlar faz osilasyonları veya sinkrotron osilasyonları
olarak adlandırılır. Birçok durumda bu salınımların frekansı ile çevrim frekansı arasındaki
fark çok küçüktür böylece şekil etrafındaki bir devreyi tamamlamak için birçok devire ihtiyaç
45
duyulur. Değişik enerjideki parçacıklar bir dairesel hızlandırıcıda değişik yörüngelere
sahiptirler ve faz salınımlarının enerji salınımlarına karşı gelen bir radyal salınımı varır.
Kararlı bölge bucket (kova) olarak adlandırılır. Bucket’in köşesi seperatrix olarak
adlandırılır. Seperatrix’in ötesinden başlayan parçacıklar hızlandırıcı voltaja bağlı olarak
fazda kaymaya uğrayacaklar ve devamlı olarak hızlandırılmayacaklardır.
Hızlandırma işlemi sırasında parçacıklar bucket’in içinde bir bunch oluştururlar.
Seperatrix’e kadar bucket’i doldurmuş olsalar bile 2’lik fazın tamamını kapsamazlar.
Hızlandırıcı bucket 2’den daha az yer kaplar çünkü voltaj fazını yarıya düşürmektedir.
Voltajın sıfır olduğu bir anda hızlandırıcı bölgeden geçen, denge parçacıklarının
olduğu kararlı bir bucket’e sahip olmak mümkündür. Kararlı bir bucket’te parçacıklar tam
olarak 2’lik bir fazı kaplayabilir. Kararlı bucketteki bir bunch dibe çok yakın bir yerde
başlayarak ve üst bölgeye çok yakın yerdeki bir faz osilasyonun yarısı boyunca devam ederek
de hızlandırmak mümkündür. Bir elektron lineer hızlandırıcısında hızlandırma işlemi böyle
olmaktadır.
Dairesel hızlandırıcılarda frekansı çevrim frekansının bir çok katıdr. Çok yüksek
frekansların kullanımı daha küçük hızlandırıcı oyuklarının ve amplifikatörlerinin kullanımına
olanak sağlayacaktır. Diğer uygulamalar için geliştirilmiş olan radyo frekans birleşenlerinin
kullanımına da olanak sağlayabilir, h harmonik sayısıdır. Fazdaki 2’lik orana karşılık h tane
gerilmiş bucket bulunur. Bunların her birisinin özellikleri yukarıda tartışılmıştır.
Sinkrotron hızlandırma sisteminin işlemi bir geri besleyici demet sistemi ile
geliştirilebilir. Daha önce de gösterilen türdeki toplama elektronları demet kolların yarıçapını
ve fazını ölçmek için kullanılır. Bu bilgi; hızlandırıcı sistemin fazını ve voltajını düzeltmek,
demet vakum odasının merkezinde tutmak, radyo frekans hızlandırıcı sisteminin ve demetin
aynı fazda kalmalarını sağlamak için elektronik geri olarak beslenir. Dış sinyaller zaman
zaman çevrimli demetin çıkarılması hedeflenmesi ve yığın haline getirilmesi amaçları için
hareket ettirilmesinde kullanılır.
Faz uzay alanı korunuyor olsa bile bir çok durumda bucket çevresinde dolaşan bir çok
küçük tellere (lif) ayrılırlar. Lifler arasındaki boş alanlar hızlandırma işleminde dallarla
birlikte taşınır ve dalın etkili alanı artar. Böylece boş uzayla karışım da artar. Bu yoğunluk
46
düşüşünü önlemek hızlandırıcı voltajı çok yavaş bir şekilde açıp kapatmakta veya bucketleri
başlangıçta tepeleme doldurmakla mümkündür. Böylece bazı parçacıklar atılırken hızlandırma
boyunca dolu kalacaklardır.
3.2.2.4 Demet Yığılması
Hızlandırılmış parçacıkların bir yığını depolama halkasında dolaşmaya terk edilebilir.
Sonra başka bir yığın pompalanır, hızlandırılır ve enerji düzeyleri aynı olmak üzere ilk yığınla
yan yana konur. Bu istifleme işlemi pek çok kere tekrarlanabilir. Boş uzayda meydana
gelebilecek karışımı önlemek için dikkatli olunursa işgal edilen toplam faz uzay alanı
bölünemeyen bunchların alanlarının toplamıdır. Fiziksel uzayda parçacık yoğunluğunun
artırılması demet yığılmasıyla artırılabilir ve bu demetlerin çarpışmalarını daha muhtemel
hale getirir.
Elektron veya pozitron depolama halkalarındaki sinkrotron radyasyonu bu olaya
yardımcı olur, çünkü radyasyon yayılımı gereği gibi düzenlenmiş bir halkada hareketi
engeller ve faz uzayındaki yoğunluk ile karşılıklı etkileşim oranını artıran fiziksel uzaydaki
parçacık yoğunluğunu artırır.
3.3 ÇOK PARÇACIK ETKİLERİ
3.3.1 Giriş
Hemen hemen her bir hızlandırıcı kullanımında yüksek şiddet arzu edilir. Bununla
birlikte yüksek şiddetler beraberinde parçacıklar arasındaki etkileşmelerden meydana gelen
yeni olaylar getirir. Bu kuvvetler parçacıkların odaklanmasını etkileyebilir ve yeni çeşit
kakarsızlıkları ortaya koyabilir.
3.3.2
Odaklama Üzerindeki Etkiler
Bir demetteki parçacıklar arasındaki elektrostatik itme kuvveti demeti odaklayan
kuvvetlerin oluşmasını azaltır. Bu, odaklamanın çapraz salınım frekansını azaltır. Daha fazla
parçacık eklendikçe, frekans bir rezonansa ulaşana kadar azalmaya devam eder. Sonra ilave
47
edilen parçacıklar rezonans tarafından büyük genliklere sürülecekler ve kaybolacaklardır.
Demet uzay-yükü sınırlıdır.
Paralel yollar üzerinde hareket eden iki yük bir birlerini elektrostatik olarak iterler
fakat aynı zamanda birbirlerini magnetik kuvvetlerle çeken iki paralel akım oluştururlar.
Magnetik kuvvetler elektrostatik itme kuvvetini azaltır ve uzay- yükü sınırını artırır. İtici
kuvvet daima daha büyüktür, fakat magnetik kuvvet parçacıklar hızlandırıldıkça artar.
Böylece uzay- yükü kuvvetleri yüksek enerjilerde çok küçüktür. Elektrostatik ve magnetik
kuvvetlerin her ikisi de yüksek enerjide, demet duvarını çevreleyen iletken bir vakum odası
sayesinde değiştirilir.
Zıt işaretli yüklerin, elektronların pozitif iyon demetine veya pozitif iyonların bir
elektron demetine enjeksiyonu ile uzay- yük kuvvetlerinin iptal edilmesi mümkündür. Bunlar
demet parçacıklarını etkiler ve bu yük nötralizasyonu ve magnetik etkileşmenin birleşimi; bir
demet için bir telciğe indirgenmenin mümkün olmasıyla, uzay- yük etkilerini tamamıyla iptal
edebilir. Fakat bu indirgenmiş demet bir hortumdan fışkıran suyun serbest ucu gibidir. Bir
yılan gibi dolanır ve birleşir. Bu yüzden oldukça kararsızdır ve ivmelendirilmiş parçacılar için
kullanışlı değildir.
3.3.3 Kararsızlıklar
Dolanım kararsızlığı, demetin magnetik alanında ortaya çıkan olaylara bir örnektir. Bu
alanlar demet üzerinde etkimesi için metal vakum odacığından geri yansıtabilecek demeti zıt
veya boyuna da sürülebilir. Bu olaylar eş zamanlı karasızlıklar olarak adlandırılır. Çünkü
bütün demet parçacıkları aynı kuvveti hissederler ve eş zamanlı olarak birlikte hareket ederler.
Eş zamanlı olmasından dolayı hareket düzeltilmiş bir demet veya odacığın içindeki
elektronlara uygulanan ters bir magnetik kuvvet ile algılanabilir. Eş zamanlı kararsızlıkların
kötü etkileri, bu tür geri beslemeli sistemlerle bir dereceye kadar azaltılabilir.
Bazı durumlarda bununla birlikte, pratik olarak geri besleme yapmak için ihtiyaç
duyulan frekanslar çok yüksektir ve karasızlıklar değişik tasarımlarla kontrol edilmelidir.
48
3.4 DEMET SOĞUTULMASI
Tartışmamızda faz uzayı alanının uzunlamasına ve çaprazlamasına sabitliğini
vurguladık. Faz uzayı alanını azaltan ve böylece parçacık demetlerinin çarpışması için
avantajlı olan parçacık demeti yoğunluğunu artıran yöntemler vardır. Bunlar demet
soğutulması olarak adlandırılır.
Tüm demet soğutma tüplerinde, başka bir fiziksel sistem ile bir etkileşim vardır.
Toplam fiziksel sistemin faz uzay alanı sabittir. Fakat küçük bir kısmın alanı, faz uzayı
alanının sistemin geri kalanına aktarımıyla azaltılabilir.
3.4.1 Sinkrotron Işınımı Yoluyla Soğutma
Tüm yüklü parçacıklar hızlandırıldıkları zaman elektromagnetik enerji yayar.
Genellikle parçacık hızlandırıcılarında kayda değer tek etki, en hafif yüklü parçacıklar olan
elektronlar ve pozitronlar için oluşmaktadır. Şu anda çoklu Tera elektron volt (TeV)
enerjilerde tartışmalar yapılıyor olmasına rağmen sinkrotron ışınımı protonlar için de
önemlidir. Eğilmiş bir yörünge etrafında dairesel bir hızlandırıcıdaki merkezcil ivme
tarafından veya depolama halkası tarafından büküldüklerinden elektronlar ve pozitronlar
kendi anlık yörüngelerine teğet olmak üzere dar bir koni biçiminde radyasyon yayarlar.
Yayılan enerji çoğunlukla UV ve x-ışınları bölgesindedir.
Parçacık enerjisi artırıldıkça yayılan enerji artar. Çoklu Giga elektron volt (GeV)
elektron sinkrotronundaki hızlandırıcı voltajın çoğu yayımlanan enerjinin oluşturulmasında
kullanılır. Bu sinkrotron ışınımı denge yörüngesi civarında boyuna ve çapraz parçacık
salınımları azalır, çünkü denge değerini aşan enerjiye sahip parçacıklar yüksek oranda
radyasyon yayımlar. Sonra denge enerjisine doğru yavaşlatılır. Denge değerinden daha düşük
enerjili parçacıklar, denge parçacıklarından daha düşük miktarda radyasyon yayımlar ve
ivmelendirme sistemi tarafından denge enerjisine doğru yeniden yapılanırlar. Çapraz
salınımlar yavaşlatılır (durdurulur) çünkü sinkrotron ışınımı boyuna ve çapraz momentum
bileşenlerinden her ikisini de azaltarak hareketin yönü boyunca yayımlanır. İvmelendirme
sistemi sadece momentumun boyuna bileşenlerini yeniden depolar. Ne boyuna ne de çapraz
osilasyonlar sıfıra kadar indirgenemez çünkü sinkrotron radyasyonunun kendisini oluşturan
fotonların ani ve gelişigüzel emisyonu boyuna ve çapraz osilasyonları biraz uyarır. Denge
49
demetinin boyutu, tipik olarak 1mm civarındadır. Bu stokastik kuantum uyarması ve ortalama
durdurma etkisi arasındaki dengenin bir sonucudur.
Sinkrotron radyasyonunda, yayımlanan fotonların toplamıyla elektro magnetik alanın
faz-uzay alanı artarken demetin faz-uzay alanı azalır.
3.4.2 Elektron Demeti ile Soğutma
Protonlar veya ağır iyon gazları ve bir elektron gazı birbirini Rutherford saçılmasıyla
etkiler. Eğer proton gazı daha yüksek termal enerjiye sahipse bu enerjisini elektronlara
saçılma sayesinde verecek, bu yüzden elektron gazının faz uzayı alanı artarken proton gazının
faz-uzayı alanında azalma olacaktır. Bu değişim, gazların he ikisi beraber ( öyle ki proton ve
elektron demeti olsunlar) aynı doğrultuda bir referans çerçevesinde ilerlediklerinde de
meydana gelecektir. Bu elektron soğutma demetin uzunlamasına ve çaprazlamasına enerji
yayılımını azaltabilir. Elektron soğutması pratikte proton demetinin bir halkanın düz bir
kısmından ilerlemesi gibi elektron demetinin aynı hızla ilerlemesi şeklinde düzenlenmesiyle
yapılır. Aynı hızda elektron demeti oldukça düşük momentuma sahiptir ve kolaylıkla düz
kesitin sonlarında proton demetinin içine ve dışına bükülebilir. Proton demeti tekrarlı bir
şekilde dolaştıkça düz kesitlerin çok katlı yollarında soğutulur.
Yüksek enerjilerde soğutma tartışılmış olmasına rağmen düşük enerjilerde elektron
soğutması daha etkilidir. Harici boylamasına magnetik alanların eklenmesiyle çok daha etkili
yapılabilir.
3.4.3 Stokastik Soğutma
Elektron geri besleme ile yapılan eş zamanlı bir osilasyonun genliğinin azalımı geçen
bölümlerde tartışılmıştı. Demetin etkin (rms) gerilimi de bir geri beslemeli sistemle
azaltılabilir. Buna stokastik soğutma denir. Stokastik soğutmanın temel planı, demetin
ortalama pozisyonunu ölçen bir toplayıcı, bir yükseltici sistem ve yükseltilmiş sinyalleri
demete ileten bir itme jeneratörüdür.
N tane dolaşan parçacıkla dolu bir halka düşünülür ve bu dönen demeti N tane ayrı
parçaya ayrılabilir. Böylece de halkanın çevresindeki her bir parça sadece bir parçacık
50
içerecektir. Şayet elektronik sistem bu küçük parçalara tepki gösterecek kadar yeterli frekans
bandı genişliğine sahipse itme jeneratörüne tek parçacıkların her birini düzenlemek için
yeterli sinyal gönderecektir. Böylece parçacıklar elektronik sisteme kendi faz-uzay alanını
teslim edecektir.
Şayet pratikte olduğu gibi sistem daha küçük band genişliğine sahipse her bir bölümde
birden fazla parçacık olacaktır. Bir bölmedeki diğer parçacıkların her biri verilen parçacık
düzenleme sinyaliyle çatışan elektronik bir gürültü verecektir ve sistem çok daha yavaş
düzelecektir. Daha fazla parçacık eklendikçe gürültü sinyali tamamıyla kaplayacak ve
soğutma duracaktır. Stokastik soğutma anti-proton demetlerini soğutmada başarılı bir çaba
için sayaç dönüşümlü parçacıklı çarpışma-demet sisteminde kullanmak için temel olarak
kullanılmıştır. Fizikte önemli yeni sonuçlar bu sistem sayesinde başarılmıştır.
51
4
HIZLANDIRICILARIN KULLANIM ALANLARI
4.1 GENEL KULLANIM ALANLARI
 Yüksek enerji fiziği

Sabit hedef deneyleri

Depolama halkalarında çarpışan demetler

Lineer çarpıştırıcılar
 Nükleer fizik

Elektron/proton hızlandırıcıları

İyon hızlandırıcıları/ çarpıştırıcılar

Sürekli demet yapıları

Sabit hedef deneyleri
 Güç üretimi

Durgun füzyon

Seyrek yakıt çeşitleri
 Endüstri

X-ışınları ile radyografi

İyon aşılanması

İzotop üretimi/ ayrışımı

Malzeme testleri

Gıda sterilizasyonu

X-ışınları litografisi (taşbasması)
 Sinkrotron ışınımı

Temel atomik ve moleküler fizik

Yoğun madde fiziği

Yer fiziği

Kimya

Moleküler ve hücre biyolojisi

Yüzey/arayüzey fiziği
52
 Koharent saçılma

Serbest elektron lazeri

Mikroprob

Holografi
 Tıp

Radyoterapi

Sağlık fiziği

Anjiyografi

Mikrocerrahi
4.2 BİLİMSEL ARAŞTIRMA
Parçacık hızlandırıcıları yüksek enerji fiziğinin veya adından da anlaşılacağı gibi temel
parçacık fiziğinin başlıca deneysel ortamlarıdır. Parçacıkları çok yüksek enerjilere
hızlandırmak için kullanılırlar, böylece parçacıklar aracılığı ile maddenin iç yapısı ve onun
davranışlarını yöneten kuvvetleri derinlemesine araştırılır. Parçacık demeti ile çarptığı hedef
parçacıklar arasındaki karşılıklı etkileşimde maddenin doğasına yönelik ipuçları sağlayacak
yeni parçacık türleri ortaya çıkabilir. Bu parçacıklar genellikle kısa ömürlüdür ve
mikrosaniyeden daha kısa bir süre içerisinde radyoaktif olarak bozunabilirler. Bu tip
reaksiyonlar kainatımızın bu sebepten meydana gelmiş olduğuna inanılan “big-bang” in ilk
anlarında bolca meydana gelmiştir. Fakat şimdi sık olmamakla beraber doğada kozmik ışınlar
tarafından üretilmektedir. Hızlandırıcıların kullanımında bu parçacıklar ve etkileşmeleri
üzerine sistematik çalışmalar ve kontrollerin yapılması gerekmektedir.
Bir parçacık demeti hedefteki bir parçacıkla çarpıştığında olabilecek birçok değişik
türde olay vardır. Bunlar ;
1. Parçacık demeti saçılabilir. Saçılan parçacıkların gözlenen dağılımı saçan hedefin
boyutunu ve şeklini belirlemek için kullanılır. (Rutherford’ un atomik çekirdeğin
varlığını ispat eden klasik deneylerinde yaptığı gibi.)
2. Hedef çekirdek veya atomlar çarpışma yüzünden farklı bir duruma dönüşebilirler.
Çekirdek daha yüksek bir enerji seviyesine uyarılabilir ve taban durumuna geri
dönerken ışıma gözlenir. Diğer durumlarda, hedef çekirdek küçük parçacıklara
53
dağılabilir veya parçacık demeti hedef çekirdek içerisinde eriyebilir. O zaman bir
ürün çekirdek gözlenir.
3. Çarpışma sırasında yeni parçacık türleri yaratılabilir. Örneğin pozitronlar,
antiprotonlar, mezonlar ve hiperonlar yaratılabilir ve özellikleri gözlenir. Bazı
durumlarda, yaratılan parçacıklar bir demet oluşturabilir ve bu ikincil demet
deneyler için kullanılabilirler.
Bir hızlandırılmış parçacık, hedef içindeki hareketsiz parçacığa çarptığında enerjinin
büyük bir kısmı, demetin hareket doğrultusunda bütün ürünlerin ileri hareket etmesi için
ilerleyen parçacığa oldukça zahmetli bir şekilde aktarılır çünkü; bütün çarpışmalarda
momentum korunur. Böylece, örneğin,
400 GeV’ lik proton hızlandırıcısından yeni
parçacıkları üretmek için elde edilecek kullanılabilir enerji miktar 27 GeV olacaktır. Protonun
enerjisi 1000 GeV’ e çıktığında kullanılabilir enerji sadece 43 GeV’ e yükselir.
Bütün enerjiyi kullanılabilir yapmanın bir yolu; ikinci bir hızlandırılmış demetten
hedef olarak yararlanmaktır. İki demet zıt doğrultularda hareket ediyorsa sistemin toplam
momentumu sıfırdır ve demet enerjisinin hiçbiri ürünlerin akıntı doğrultusundaki hareketinde
kullanılma ihtiyacı duyulmaz. Demet çarpışma çeşitleri aşağıda gösterildiği gibi iki türde
olabilir. Çarpışan demetteki çarpışma oranı sabit hedeftekinden daha düşüktür
çünkü;
parçacık yoğunluğu katı bir hedeftekinden daha azdır ve bu yüzden bir demette karşılıklı
etkileşmeye girecek çok daha az parçacık vardır. Bu zorluk bir depolama halkasında
parçacıkların iki dairesel demetinin depolanmasıyla kısmen yenilebilir. Etkin çarpışma olayını
yükseltmek için birbirinin içinden bir çok kez geçerler.
Bu çeşit deneylerde bu değişiklikleri azaltmak için bir araştırma sonucu olarak
algılanılan fiziksel değişiklikler parçacıklar tarafından üretilir. Atomik çekirdekteki çok daha
küçük mesafeleri araştırmak için daha yüksek enerjilere ihtiyaç duyulur.
Sabit
hedef
Birincil demet
İkincil demetler
Çarpışan demetler
54
Fizik deneyleri için şu anda kullanılan en yüksek enerjiler sabit hedef deneylerinde
1TeV’ e ve demet çarpıştırma araştırmalarında ise iki demetten her biri
1TeV’ e
yaklaşmaktadır. Aynı zamanda, demetlerden her biri 7TeV’ e yaklaşan bir çarpıştırıcıda
CERN’ de kurulmaktadır (LHC). Bu hızlandırıcılar boyut olarak çok büyüktürler ve aynı
zamanda çok karmaşıktırlar. Büyük hızlandırıcılar insanlar tarafından inşa edilen en karmaşık
aletlerden oluşmakta ve çalıştırılması için büyük sayıda insana ihtiyaç duyulmaktadır.
Bir ışık kaynağı-mikroskop kombinasyonu ile bir hızlandırıcı-dedektör kombinasyonu
arasında benzerlik kurulabilir. Bir mikroskopta ışık, inceleme altındaki bir hedeften geçerken
saçılır. Yayılan ve dağılan ışık mikroskop tarafından toplanır ve göze veya görüntünün
odaklandığı ve analiz edilebileceği bir fotoğraf filmine yönlendirilir. Bir hızlandırıcı dedektör
kombinasyonunda ise hedef hızlandırıcıdan gelen demet tarafından aydınlatılır. Yüksek enerji
etkileşmesinde yaratılan yeni parçacıklar ya da saçılan veya yayılan parçacıklar daha sonra bir
dedektörde analiz için kaydedilir. Dedektör basit bir fotoğraf filmi veya binlerce bölünemeyen
elemanın zamanlamalarını kapsayan ve yüzlerce ton ağırlığında olan karmaşık elektronik bir
aygıttır. En iyi detay kullanılan ışığın dalga boyuna bağlı olarak mikroskop ile çıkarılabilir; en
kısa dalga boyu ile en iyi detay elde edilir. Benzer şekilde hızlandırılmış parçacık tarafından
elde edilen ışıma ile ulaşılacak en büyük enerji veya en kısa De Broglie dalga boyu ile
maddenin en küçük detayları çalışılabilir.
Mikroskopta yayılan veya saçılan ışık çalışma altındaki nesnede çok büyük
değişiklikler yapmaktadır ve incelemenin amacı değişmeyen nesneyi çalışmaktır. Bu yüzden
benzerlik tanımlanamamıştır. Bir hızlandırıcıda hedefte büyük değişiklikler oluşabilir.
Örneğin yeni parçacıklar üretilebilir ve çalışılabilir.
Hızlandırıcıların geniş kullanım alanı bulan başka bir bilimsel uygulaması, yoğun
ultraviyole
(UV)
ışık
veya
X-ışınları
formundaki
sinkrotron
ışıması
üretiminde
kullanılmasıdır. Bu yoğun kaynak atomik fizik, biyoloji ve kimyada inceleme için bir çok
yeni alanlar açmıştır.
4.3 TIP
Daha küçük hızlandırıcılar tıbbın önemli iki kolu olan teşhis ve tedavinin her ikisinde
de kullanılmaktadır. Kullanımları X-ışınları makinelerine oldukça benzemektedir. Gerçekten
55
bir X-ışını makinası parçacık hızlandırıcısıdır. İçinde elektronlar hızlandırılmakta ve X-ışını
üretimi için bir hedefe çarptırılmaktadır. Bu X-ışınları vücuttaki dokuları, kemikleri ve
organları test etmek için teşhiste bir yardımcı olarak kullanılırlar.
X-ışınları aynı zamanda ışıma yoluyla kanserli tümörlerin öldürülmesiyle yapılan
tedavide kullanılırlar. Burada yüksek enerjili elektronlar daha fazla iç içe giren X-ışınları
üretmek için kullanılırlar. En yüksek enerjiler yaklaşık olarak 0.5-10 MeV’ dir. Ek olarak ağır
parçacık hızlandırıcıların
kanser tedavisinde kullanılmak üzere proton, nötron veya ağır
iyonlar üretiminde kullanılırlar. Bir çok durumda bu ağır parçacıklar elektronlardan veya Xışınlarından daha iyi sınırlanır. Tedavi sırasında enerjileri 10 MeV’ den birkaç GeV’ e kadar
değişen ağır parçacıklar kullanılır.
Parçacık hızlandırıcıları tıpta aynı zamanda teşhiste yardımcı olmak üzere vücut
sistemine alınmış kimyasalların hareketlerini izlemek için kullanılan radyoaktif izotopların
üretiminde de kullanılır.
4.4 ENDÜSTRİ
Hızlandırıcıların endüstrideki kullanımları tıptaki kullanımlarıyla bazı benzerlikler
gösterir. Parçacık enerjileri genellikle düşüktür. Bir çok durumda birkaç KeV’ den 10 MeV’ e
kadardır. Büyük bir endüstriyel kullanım teşhis ve kontrol alanındadır. Basınç boruları,
kaynatıcılar ve diğer büyük metal dökme kalıplar genellikle kalıbın uzunluğunu azaltacak
olan içteki çatlak ve yarıkların araştırılması için X-ışınlarına tabi tutulur. 20 MeV veya daha
fazla enerjili parçacık kalın kalıpların çok daha büyük delinmelerinde sıkça kullanılır.
Parçacık hızlandırıcıları aynı zamanda malzemelerin bakımında kullanılır. Kirlilik
iyonlarının kesin konsantrasyonu katı hal elektroniği (yarıiletken) imalatı için metal yüzeylere
yerleştirilir. Parçacık demetleri entegre devrelerin üretiminde mikroçipleri yerleştirmek için
kullanılır.
İmal edilen bir çok nesne hızlandırıcılar tarafından sterilize edilir. Benzer sterilizasyon
bandajları ve cerrahi araçlar içinde tercih edilen bir metoddur.
Çünkü; bu metod ısıtma ile
yapılan sterilizasyondan daha az zarar verir. Sterilizasyon için kullanılan hızlandırıcı enerjileri
56
yeteri kadar düşüktür. Böylece sterilizasyon sırasında nesnede radyoaktiviteye neden
olunmaz.
Malzemeler aynı zamanda hızlandırıcı ışımaları tarafından kimyasal olarak da
değişirler. Dikkate değer bir uygulama plastiklerin polarizasyonunda rastlanır. Saydam,
büzülen örtü ışınım uygulamasıyla istenilen büzülebilirliğin üretimi için hızlandırıcılar
tarafından işleme konur.
Gelişmeler hızlandırıcıların füzyon nükleer reaksiyonlarını kontroldeki uygunluğunu
test etme yönüne de taşımıştır. Tasarlanan sistemlerde yüksek enerji parçacıkları demetleri
çok küçük bir döteryum-trityum tanesinin bombardımanında ve enerji üreten döteryumtrityum
reaksiyonlarının meydana gelebileceği
noktaya içten
yanma ile ısınarak
yükselmesinde kullanılır. Enerjinin ekonomik olarak üretilmesinde çok büyük bir sisteme
ihtiyaç vardır ve gelişmelerin uzun yıllar süren çalışmalar olacağı beklenmektedir.
Hızlandırıcılardan elde edilen ışınımlar ile besin korunumu da yerine getirilmiştir
ancak şu anda daha çok deneme aşamasındadır. Fakat, bazı uzun vadeli uygulamalar askeri
alanlarda çalışılmaktadır.
Yeni bir hızlandırıcı uygulaması çevresel atıklardaki zararlı bakterilerin hızlandırıcı
demetleri ile yok edilmesidir. İşleme konulan atık daha sonra gübre olarak kullanılabilir.
4.5 SİNKROTRON IŞINIMININ KULLANIM ALANLARI
Sinkrotron ışınımının kullanım alanları foton enerjisine bağlı olarak değişik disiplinler
için aşağıda verilmiştir.
BİYOLOJİ/TIP
(~0.1 eV): Biyokimya, Biyofizik
(~1 eV): VUV ve X-Işını Mikroskopisi
(~10 eV): Radyografi
(~100 eV): Akışkan yüzeylerde kompleks biyomoleküllerin yapısının incelenmesi
(~1000 –10000 eV): X-ışını litografisi ve tomografisi
57
KİMYA
(~0.1 eV): Katalizli reaksiyonlar
(~1 eV): Fotokimya
(~10 eV): Elektron spektroskopisi ile kimyasal analiz
(~100 eV): Işıma tahribatının incelenmesi
(~1000 eV): Polimerik yapıların incelenmesi
(~10000 eV): İz elementi analizi
FİZİK
(~0.1 eV): Katıların elektron yapısı
(~1 eV): Yüzeylerin ve arayüzeylerin incelenmesi
(~10 eV): Atomik ve moleküler fizik
(~100 eV): Fotoelektron spektroskopisi
(~1000 ): X-ışını optiği ve floresansı
(~10000 eV): İnelastik X-ışını saçılması, Compton saçılması
TEKNOLOJİ
(~0.1 eV): Spektroskopide yeni metodlar
(~1 eV): Yüksek performanslı optik
(~10 eV): Kalibrasyon ve Radyasyon standartları
(~100 eV): Undulator ve Wiggler Işımalarının araştırılması
(~1000 ): X-ışını litografisi ve Malzeme araştırmaları
58
REFERANSLAR
1. F.T. Cole and M. Tigner, “Particle Accelerators” Encyclopedia of Physical Science
and Technology, Vol 10, pages: 152-182. Academic Press (1987).
2. A. W. Chao and M. Tigner, “Handbook of Accelerator Physics and Engineering”
World Scientific (1999)
3. H. Widemann, “Particle Accelerator Physics” Vol. I. Springer Verlag 1993
4. Ankara Universitesi Hızlandırıcı Fiziği Araştırma Grubu İnternet Sayfası:
http://bilge.science.ankara.edu.tr
5. Ö. Yavaş, “FM.443 Parçacık Hızlandırıcıları Ders Notları”, A.Ü. Fizik Müh. Böl.,
Ankara (2000).
6. U. Amaldi, “The Importance of Particle Accelerators”, 7th European Particle
Accelerators Conference, EPAC2000, Opening Talk, 26-30 June 2000, Wien, Austria.
7. D.A. Edwards and M.J. Syphers, “An Introduction to the Pysics of High Energy
Accelerators” John Wiley&Sons. Inc. (1993).
59
SONUÇ:
Parçacık hızlandırıcıları iyonların ve elektrik yükü taşıyan temel atomaltı
parçacıkların hızlarını, dolayısıyla kinetik enerjilerini yükseltmekte kullanılan
aygıtlardır. Temel yüklü parçacıkları belirli enerjilere ulaşacak şekilde hızlandırarak,
sabit hedef deneylerinde, çarpıştırıcılarda ve ışıma kaynağı olarak kullanırız. Atom
çekirdeğinin yapı ve özelliklerini olanaklı kılan parçacık hızlandırıcılarından ayrıca
sanayi radyografisinde, kanser tedavisinde, radyoaktif izotopların üretilmesinde,
plastiklerin polimerleştirilmesinde ve başka bir çok uygulamada yararlanılır.
Parçacık hızlandırıcılarında hızlandırılan parçacıklar genellikle hafif atomların
çekirdekleridir. Daha ağır çekirdekler ya da kütlesi çekirdeğe oranla çok küçük olan
elektronlar ve bunların anti-parçacıkları da kullanılır. Parçacıkların enerjisi elektron
volt (eV) birimiyle ölçülür.
Hızlandırıcıların çalışması bir elektrik alanın parçacıklara kuvvet uygulaması
ilkesine dayanır. Buna göre hızlandırıcıları iki gruba ayırabiliriz: Lineer ve dairesel
hızlandırıcılar.
Lineer hızlandırıcılarda, parçacık doğrusal bir yol izler. Parçacığın kazandığı
enerji, izlenen yol boyunca uygulanan potansiyel farklarının toplamına eşittir.
Daireesl hızlandırıcılarda parçacığın izlediği yol bir magnetik alan aracılığı ile
saptırılarak, parçacığın dairesel bir yol izlemesi sağlanır. Bu parçacık dairesel
yörüngede bir çok kez dolanır ve her dolanımda giderek artan bir hız kazanır.
60