Demet Diyagnostiği (İlhan Tapan, Uludağ Üniversitesi)

DEMET DİAGNOSTİĞİ
İlhan TAPAN
Uludağ Üniversitesi
III. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Detektörleri Yaz Okulu,
20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
1
Demet Diagnostiği Nedir?
Yüklü Parçacık Demeti Diagnostiği
Demetinin parametrelerini (akım, pozisyon, büyüklük, parlaklık,
enerji vs.) ölçmek ve gözlemlemek.
Elektron diagnostiği için, elektronların tabancadan (GUN) çıkıp,
durduruluncaya (DUMP) kadar tüm hat boyunca yapılır.
Foton Demeti Diagnostiği
Oluşan ışığın odaklanması,
belirlenmesi işlemlerini kapsar.
doğrultulması,
karakteristiğinin
Işığın karakteristiklerinin ölçümü, kullanıcılara ulaştırılmadan önce
belirli özel bir bölgede yapılır .
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
2
Demet Diagnostiği Nedir?
Temel amaçlar
Ölçümleri demete zarar vermeden hızlı bir şekilde yapılmak.
(Fast and non-destructive)
Demetinin parametrelerini ölçmek ve gözlemlemek.
(Demetten alınan sinyaller lokal elektronik yardımı ile takip
edilebileceği gibi, dönüştürücüler yardımı ile bilgisayar ortamına
aktarılarak, bilgisayar kontrolü sağlanarak yapılmalı)
İstenilen parametreleri elde etmek için gerekli demet ayarlarını yapmak.
(Online olarak kontrol odasından)
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
3
Demet Diagnostiği Ne İçin Yapılır?
Demet sürekli kontrol
altında tutulmadığı taktirde
ne olur?
Şekil 20 kW gücündeki
demetin, demet hattına
verdiği zararı gösteriyor.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
4
Demet Diagnostiği Ne İçin Yapılır?
Demet hatları
Demetinin taşındığı vakumlu borulardır.
Demeti en az kayıpla iletecek ve sahip olunan alanı en optimum
halde kullanılacak şekilde tasarlanır.
Yüklü parçacık demet hatlarının, demet parametrelerini ölçecek
cihazların kolay ve doğru bir şekilde ölçüm yapabilmelerine izin
vermesi gerekir
Foton demet hatları, demetin lineer polarizasyonunun korunup hava
tarafından soğurulmaya uğramadan deney istasyonlarına
ulaştırılmasını sağlar.
Bir FEL laboratuvarı demet hattı kaynaktan başlayıp elekronlar için
dump edildiği yere kadar giderken, fotonlar için kullanıcı
laboratuvarlarına kadar uzanır.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
5
Yüklü Parçacık (elektron) Demeti Diagnostiği
Demetin akımı (mA), yükü (pC), boyu (ps), konumu (beam position),
kaybı (beam loss), yönlendirilmesi, odaklanması, sıkıştırılması gibi
parametreler ölçülmelidir
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
6
Elektron Demet Diagnostiği
Demet akımı, demetin en temel parametresidir. Varlığı bir
fonksiyonellik testidir.
Faraday kapları, iyonizasyon odaları, sintilatörler ve akım
dönüştürücüler (Transformators), yük veya akımı ölçmek için
kullanılır.
Demet hattı içerisinde demetin pozisyonu oldukça önemlidir. Demet
pozisyonu online olarak sürekli takip altında tutulmalıdır.
Demet konum monitörleri (Beam Position Monitors) ile yapılan
ölçümler sonucu demet selenoidler ve magnetler yardımıyla hizalanır
ve odaklanır.
Demet kayıp monitörleri (Beam Loss Monitors) ise, çok şiddetli
demetlerde gerçekleşebilecek çok küçük kayıpların hassas olarak
ölçülmesinde kullanılır.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
7
Elektron Demet Diagnostiği
Faraday Kabı
Demetin taşıdığı yük miktarına bağlı olarak demet akımını ölçer.
Düşük ve akımları ölçülebilir. Kap doğrudan demetin önüne
konulduğu için demet yapısına zarar vererek ölçüm yapan bir sistedir.
(Demet dupm edilebilir)
Kap, bir veya birden çok kalın, iletken malzemeden (Cu, C, Pb, Ta
gibi) oluşmaktadır. Demetteki parçacıkların tamamen soğurulması
için, malzemenin türü ve L kalınlığı demetin E enerjisine bağlı olarak
seçilir. Malzemede birim uzunluk başına enerji kaybı dE/dx olmak
üzere L= E/(dE/dx) olmalıdır. Yaklaşık olarak ~0.4 m kalınlığındaki
bakır, 1 GeV enerjili elektronları durdurmak için yeterlidir.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
8
Elektron Demet Diagnostiği
Faraday Kabı
Bağlı bir R direnci üzerinden ölçülen V voltajı, soğurulan anlık akımın
değerini verir. Böylece demet yükü, karşılık gelen bir akıma
dönüştürülürmüş olur
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
9
Elektron Demet Diagnostiği
İyonizasyon Odası
Çok ince duvarlı gaz iyonizasyon odaları, yüksek enerjilerde çok
düşük demet şiddetlerini-akımlarını ölçmek için kullanılmaktadır.
İyonizasyon odaları aynı zamanda demet kayıp detektörleri olarak da
kullanılmaktadır. Detektör içerisinden geçen demetteki elektronlar
iyonizasyon yaparak elektron-iyon çiftlerini oluşturur. Oluşan
elektronlar anoda doğru sürüklenir ve bir akım oluşturur. Uygulanan
voltaj tüm yüklerin toplanabildiği ancak çoğalmanın olmadığı ‘plato’
bölgesinde tutulmalıdır.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
10
Elektron Demet Diagnostiği
Akım Dönüştürücüler
q yüküne sahip N adet parçacıktan oluşan bir demetteki akım, t birim
zamanı başına geçen yük miktarıdır.
I demet =
q.e.N
t
İdeal durumda telin uçları arasındaki gerilim aşağıdaki şekilde verilir.
V = L.
İlhan Tapan
dI demet
dt
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
11
Elektron Demet Diagnostiği
Sintilatörler
Enerji kaybıyla orantılı ışınım verirler, hızlı decay zamanına
sahiptirler ve radyasyona dayanıklıdırlar.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
12
Elektron Demet Diagnostiği
Demet konum monitörü
Demet hattı borusu içerisine simetrik olarak yerleştirilmiş
toplayıcılar, hem aralarından geçen demetteki toplam yükü hem de
demet konumunu belirlemek için kullanılabilir. Şiddetten bağımsız
demet konum bilgisini ve demet kayıplarını belirlemek için de
kullanılırlar.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
13
Elektron Demet Diagnostiği
Demet konum monitörü
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
14
Elektron Demet Diagnostiği
Demet konum monitörü- Sintilatör Ekranlar
Demetin önüne bir sintilatör ekran konularak, çıkan ışığın bir CCD
kamera ile görüntülenmesine dayanan tahribatlı bir yöntemdir
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
15
Elektron Demet Diagnostiği
Demet konum monitörü- Sintilatör Ekranlar
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
16
Elektron Demet Diagnostiği
Demet konum monitörü- Tel tarayıcılar
Demet içinde hızla hareket ettirilen iletken telin demet ile etkileşmesi
sonucu oluşan akımın ölçümü temeline dayanır.
Tel tarayıcılar küçük boyutlu elektron demetleri için kullanılırlar.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
17
Elektron Demet Diagnostiği
Demet kayıp monitörü
Özellikle süperiletken magnetlerin kullanıldığı hızlandırıcı
makinelerinde, kayıpların yerini ve büyüklüğünü görebilmek için
demet kayıp monitörü kullanılır. Burada kullanılan detektörler, demet
borusunun çevresine yerleştirilir ve boru malzemesi tarafından
soğurulmayan yüklü parçacıklar veya -ışınlarını detekte etmek için
kullanılırlar. Bu nedenle plastik sintilatörler, fotodiyotlar ve
fotoçoğaltıcı tüpler kullanılır
İçerisine Ar gazı doldurulmuş ince bir
boru tüm demet hattı boyunca paralel
olarak yerleştirilir. Böylece demette
meydana gelecek en ufak elektron kaybı
gaz ile etkileşip, gazı iyonlaştırır.
Böylece bir akım elde edilir.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
18
Elektron Demet Diagnostiği
Demet kayıp monitörü
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
19
Elektron Demet Diagnostiği
ELBE serbest elektron lazeri araştırma merkezi laboratuarında,
elektron demet hattı üzerinde bulunan diagnostik elemanları
görülmektedir.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
20
Foton Demet Diagnostiği
Foton demet diagnostiği, elde edilen foton demetinin ayarlanabilmesi,
anlaşılıp karakterize edilebilmesi ve deneycilere ihtiyaç duydukları
temel demet parametreleri bilgisini sağlayabilmesi bakımından
önemlidir.
Elde edilen foton demeti, öncelikle demet hatları içerisinde mercekler
tarafından odaklanır ve aynalar yardımı ile diagnostik istasyonuna
taşınır. Optik malzemeler foton demetinin spektral aralığına bağlı
olarak seçilir. Örnek olarak, λ=2-185 μm arasında FEL demeti için
kullanılacak mercekler; Kuartz, Ge, Si ve Polietilen Fresnel mercek
olmalı, aynalar ise Al, Au, Ag ile kaplanmış olmalıdır. Filtreler verilen
dalga boyu aralıklarına uygun olmalı, metal kaplamalı demet ayırıcılar
tercih edilmelidir.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
21
Foton Demet Diagnostiği
Temel olarak foton diagnostik istasyonlarında; demetin dalga boyunu
ölçmek ve spektral analizini yapmak için uygun bir spektrometre ve
demetteki pulsların boylarını ölçmek ve puls sürekliliğini belirlemek
için bir otokorelatör sistemi kullanılmaktadır. Uygun kuantum
verimine sahip HgCdTe (MCT) ve pyroelektrik detektörleri
spektrometre ile birlikte kullanılır.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
22
Foton Demet Diagnostiği
Czerny-Turner Spektrometresi
SpectraPro-300i Imaging Spectrometer
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
23
Foton Demet Diagnostiği
HgCdTe (Mercury Cadmium Telluride -MCT) Detektörü
HgCdTe, üç yarıiletkenin oluşturduğu bir alaşımdır. Detektör, 10 ile
20 mm arasında değişen kalınlığa sahip ince bir HgCdTe tabakadan
ve üzerine oturtulmuş metal kontak yüzeylerden oluşur.
Yüksek soğurma tesir kesitine sahip bu detektörde soğurulan fotonlar
uyarma yoluyla elektronları değerlik bandından iletkenlik bandına
çıkartırlar. Yüklerin kontaklara iletimi için detektör besleme voltajı
uygulanır. Çıkış voltajı gelen foton akısı ile orantılıdır.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
24
Foton Demet Diagnostiği
Pyroelektrik Detektör
Gelen
ışık
yüksek
soğurma
katsayısına sahip duyarlı alana
çarparak soğurulur. Bu soğurulma,
LiTaO3, PZT gibi çok kristalli
pyroelektrik malzemenin sıcaklığında
değişime sebep olur. Sıcaklık
değişimi ile pyroelektrik malzemede
oluşan elektriksel yükler elektrotlar
tarafında toplanarak bir çıkış sinyali
elde edilir.
p; pyroelektrik sabit, materyale bağlı
I = pA
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
dT
dt
A; detektör alanı
dT/dt; sıcaklığın zamanla değişimi
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
25
Foton Demet Diagnostiği
Otokorelatör
Çok kısa pulslarının boyunu ölçmek ve puls sürekliliğini belirlemek
için kullanılır. Gelen ışık pulsu treni bir demet ayırıcı kullanılarak eşit
şiddette iki kola ayrılır. Pulslardan biri sabit bir yol boyunca ilerlerken,
diğeri hareketli bir optik geciktirici ile birinciye göre geciktirilir ve her
iki puls ikinci harmonik üreten SHG kristali üzerine düşürülür. Oluşan
ikinci harmonikler, ölçüm için odaklanarak detektör üzerine düşürülür
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
26
Foton Demet Diagnostiği
Polarizasyon Dönüştürücü
Foton demeti, üç bakır aynadan oluşan sistemi geçerken şekilde
gösterilen eksen etrafında α kadar döndürüldüğünde, polarizasyon 2α
kadar değiştirilmiş olunur.
45o’ lik bir döndürme yapıldığında polarizasyon yataydan düşeye,
yada düşeyden yataya döndürülebilir.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
27
Foton Demet Diagnostiği
Zayıflatıcı
Demetin gücünün istenilen kademelerde azaltılmasını sağlar. Metal
ızgaralar tarafından demetin belirli bir kesri yansıtılır. Yansıyan
demet, su soğutmalı zayıflatıcının duvarlarında soğurulur.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
28
Sonuç
Bir hızlandırıcı sisteminin ne derece verimli çalıştığı ve çalışması için
ne yapılması gerektiği, ancak elde edilen demetlerin incelenmesinden
sonra anlaşılır.
Bu işlem toplam maliyetin %10 unu, insan gücünün de %20 sini
gerektirmektedir.
İlhan Tapan
Demet Diagnostiği
UPHDYO-III, 20-24 Eylül 2007, Bodrum-Türkiye
29