Sinkrotron Işınımı ve Kullanım Alanları

SINKROTRON IŞINIMI VE KULLANIM
ALANLARI
DOÇ.DR. SEMA BİLGE OCAK
GAZİ ÜNİVERSİTESİ
GİRİŞ
• Fotoelektrik olay : 1905 yılında ışık ve madde arasında
etkileşim mekanizması keşfinde en büyük adım
• Bu çalışma sayesinde atom seviyesinden bilgi alma şansını
yakalamıştır.
 Atom ve moleküllerin karakteristik yapıları hakkında
ayrıntılı bilgi elde edilmiştir.
 Bu çalışmalarda, en kaliteli deneysel ışın kaynağı
sinkrotron sistemlerinden sağlanmaktadır.
 Maddenin yapısını araştırmak için gerekli olan ışık kaynağı
için Sinkrotron ışınım merkezleri, kızılötesinden x-ışını
bölgesine kadar uzanan geniş bir enerji yelpazesi sunar.
 Yüksek hızlarda temel parçacık, bir manyetik alan etkisi ile
dairesel yörüngede harekete zorlanır. 1947 yılında ilk defa
bu teknik kullanılarak elektronun ivmeli hareketinden bir
Işınım elde edilmiştir. Yüklü bir parçacığın (elektron veya
pozitron) bir manyetik alan içinde rölativistik
hızlardaki dairesel hareketinden elde edilen bu ışınıma
sinkrotron ışınımı denir.
SİNKROTRON NEDİR ?
Sinkrotron
Işınımı
• Elektronlar veya yüklü parçacıklar eğrisel
bir yörüngede tutunmak üzere
ivmelendiğinde hareket ettikleri yönde dar
bir demet şeklinde elektromanyetik ışıma
yaparlar
• Parçacık demetinin bir veya daha fazla
Sinkrotron
RF alanlarla hızlandırıldığı ve
mıknatıslarla sabit yarıçaplı bir
yörüngede tutulduğu dairesel
hızlandırıcı
• Enerjileri yüksek olan elektronlar, yeterince büyük
dairesel yörüngede dolanmasi ile yüksek foton akısına ve
yüksek parlaklığa sahip elektromanyetik ışıma sağlar
• Sinkrotron halkasi olarak adlandirilan bu dairesel
yörüngede elektronların, dairesel hareket yapmasını
sağlamak amacıyla belli noktalarda güçlü manyetik
alanlar ile yörüngede tutulur.
Sinkrotron ışınımının dalga boyu ve enerjisi
101
Sinkrotron ışınımı, 101 eV’dan 105 eV’a kadar olan enerji aralığını ve 104
m’den 10 12 m’ye kadar olan dalga boyu aralığını kapsar.
Sinkrotron ışınımının dalga boyu ve
enerjisi
10 5
Dairesel hızlandırıcı
 Yüklü parçacıkları RF kaviteler yardımıyla hızlandıran ve
manyetik alanlar yardımıyla dairesel yörüngelerde hareket
etmesini sağlayan hızlandırıcılardır.
Bir cismin bir çember etrafında hareketini devam
ettirmesi için, cismin üzerine çemberin merkezine doğru
sabit bir kuvvet etki ettirilmelidir.
 Dairesel hızlandırıcılarda, elektrik alan yüklü parçacıkları
hızlandırırken, dipol magnetler ise parçacık yörüngesini daire
biçiminde bükecek merkezcil kuvveti sağlarlar.
 Manyetik alan, parçacık enerjisine etki etmez. Sadece,
parçacıkları hızlandırıcı kavite boyunca bükmeye yarar.
•Elektrik alan ile hızlandırma sağlanırken manyetik alan ile
dairesel yörüngeler oluşturulur.
 Manyetik alan içine giren paketçiklere hareket yönlerine
dik doğrultuda manyetik kuvvet uygulanırsa, paketçikler
Doğrusal yörüngelerinden saparak dairesel yörüngede
dolanırlar.
•Dairesel hareketin yarıçapı uygulanan manyetik alanın şiddeti
ile doğru orantılıdır. Yani dairesel hızlandırıcıların yörünge
yarıçaplarını belirleyen etken manyetik alan şiddetidir.
Sinkrotron ışınımı
•Ön hızlandırıcıda hızlandırılan demet, enjeksiyon bölgesinden
sabit yarıçaplı halkaya sokulur.
•Demet yörüngede defalarca dolanarak hızlandırıcı RF alanından
geçer ve istenilen enerjiye ulaştığında demet halkanın dışına alınır.
q parçacığın yükü, v hızı, m kütlesi, p momentumu, B
uygulanan manyetik alan, r sinkrotron halkasının yarıçapı
Olmak üzere bir sinkrotron için en genel hareket denklemi;
Bir sinkrotron halkası için r = R= sabit olarak alınmalıdır.
Yörünge yarıçapı sabit olduğunda daha yüksek enerjilere
ulaşılabilir. Bunun için şartı;
Sinkrotronda bir paketçiğin halkada dolanım
süresi;
Parçacığın momentumu arttıkça parçacıkları aynı
yörüngede tutmak için eğici magnetlerin şiddeti
buna eşdeğer olarak arttırılır. Bu durum manyetik
alanın parçacığın momentumu ile orantılı olarak
artırıldığı zaman sağlanır.
Dolanım frekansı parçacığın hızına bağlı olarak aşağıdaki
eşitlikle gösterilmektedir.
vqB
f 
2m
Demetin hızlandırılabilmesi için, RF frekansının dolanım
frekansının tam katıları olarak tutulur. Böylece, eşzamanlılık
koşulu sağlanır. Buradaki h katsayısı harmoniklik sayısı
olarak adlandırılır.
10 10
1011
Avrupa sinkrotron ışınım kaynağı, Fransa
SİNKROTRON IŞINIMI NASIL ÜRETİLİR ?
1. Elektron tabancası
2. Linac
3. Booster halkası
4. Depolama halkası (storage ring)
5. Işın konisi yolu (beamline)
6. Deney istasyonu
• Elektronlar, merkezde (elektron tabancası) üretilir ve lineer
ivmelendirici (linac) tarafından ışık hızının % 99.9997`a
kadar ivmelendirilirler.
• Daha sonra, enerjileri artırılmak üzere Booster halkasına
transfer edilirler. Booster halkasından da en dış depolama
halkasına gönderilirler.
• Elektronlar, düz bölmelerle ayrılmış bir seri magnet
yardımı ile depolama halkasında döndürülürler.
• Magnetler tarafından üretilen manyetik alan etkisiyle
hareket yönü saptırılmış elektronlar, elektromanyetik
ışınım yayımlarlar;
• Bu sebeple her bir bükücü magnette (bending magnet)
bir sinkrotron ışınım demeti üretilir.Üretilen bu ışın
demetleri, belirli bir deneysel teknik için uygun özel
(spesifik) bir dalgaboyu değerine odaklanabilir.
• Sinkrotronlarda
parçacıkların
yüksek
enerjilere
ulaşabilmesi için önce sabit R yarıçapında tutulmaları
gerekmektedir. Daha sonra parçacıklar sinkrotrona
girerek burada RF kaviteler ve parçacık yörüngesi
boyunca küçük magnetler ile hızlandırılırlar.
• Sinkrotronun çevresi (L), dalgaboyunun (λ) tam katı
olmalıdır.L = nλ Sinkrotronların iki önemli çeşidi
bulunur: Depolama halkaları ve çarpıştırıcılar. Depolama
halkaları küçük sinkrotronlardan oluşur. Burada
parçacıklar bir araya getirilirler ve sabit bir enerjiyle
uzun süre dairesel harekette tutulurlar. Çarpıştırıcılar ise
zıt yönlerde hareket eden iki demeti kesiştirerek en
yüksek enerjiyi kullanarak çapıştırır.
SİNKROTRON IŞINIMINDA KULLANILAN
MAGNETLER
 Sinkrotronlar, parçacıkları E=0 dan başlayan bir enerjiyle
hızlandıramamaktadır. Bu nedenle, parçacıkların sinkrotrona
gelmeden önce Lineer hızlandırıcılarda belli bir enerjiye ulaşması
sağlanır. Sinkrotron halkasının düz bölmelerinde bazı ek aygıtların
kullanılması ile üretilen ışınımın şiddetinin önemli miktarda
artırılabileceği gözlenmiştir. Bunlar eğici magnet, zigzaglayıcı
(wiggler) ve salındırıcı (undulator)
Bir bükücü magnetin (bending magnet) gösterimi.
Elektronun yörüngesinin herbir saptırılmasında, bir
ışın demeti üretilir.
Wiggler Magnet
Wiggler (zigzaglayıcı)
magnet içerisinde, herbir
bükmede bir ışın konisi
yayımlanır; bu sebeple
yayımlanan ışın konileri
birbirleriyle üstüste
binerler. Dolayısıyla,
ışınımın şiddeti magnet
sayısıyla orantılıdır.
Magnet sayısı
artırıldıkça, üretilen
ışınımın şiddeti de artar.
Çok kutuplu Wiggler magnet (Herbir
dalga tepesinde, bir ışın demeti üretilir.
Üretilen bu ışınlar, birbirini
güçlendirirler ve yatay düzlemde
gözlendikleri zaman uyumsuz
(incoherent) geniş bir sinkrotron ışınımı
demeti olarak görülürler.)
Undulator Magnet (Salındırıcı)
Daha hassas ışınım
dalgalanması (titreşimi)
oluşturmak için kullanılan ve
fazla güçlü olmayan
magnetlerdir. Bu
magnetlerde, ışın konileri
sadece üstüste biner ve
birbirleriyle girişime
uğrarlar; Magnetlerin
bileşenleri arasındaki aralık
değiştirilerek elde edilen
ışınımın dalgaboyu
değiştirilebilir ve böylece
ışınım özel dalgaboyu
değerlerine ayarlanabilir.
Undulator magnet. (Kutuplar,
elektron demetinin daha az
sapmasını sağlarlar ve böylece
sadece dar bir aralıkta 105 kez
artırılmış belli frekanslara sahip
sinkrotron ışınım demeti üretilir.)
SİNKROTON IŞINIMIN GÜCÜ
İvmenin hareket yönüne dik ve paralel bileşenlerini
inceleyerek sinkrotron ışınımının paralel ve enine
ivmelenmeden gelen Katkılar elde edilebilir. Enine
ivmelendirilmiş yüklü bir parçacık için ışınım
gücü:
2 rc 2  dp 
P 
 

3mc  dt 
2
 4  2rc c
2 2
2 2
P   
B E  CB B E
2 2
 0  3(mc )
2
Sinkrotron ışınımı görüldüğü gibi magnetik
alanın ve demet enerjinin karesiyle
değişmektedir.
Sinkrotron ışınımı kendine has birtakım
özelliklere sahiptir
105
• · Yüksek derecede polarize: Sinkrotron
lineer, dairesel ve eliptik olabilen yüksek
derecede polarize ışın oluşturabilir.
• · Çok kısa süreli pulslarda yayınım:
Yayımlanan pulslar, tipik olarak bir
nanosaniyeden (1 saniyenin milyarda biri)
daha kısa sürelidir (Zaman çözümlü
deneysel çalışmalara olanak sağlar)
KULLANIM ALANLARI
• Biyolojik Bilimler
 Tıp
 Yarıiletken, yüzey ve arayüzey fiziği
 Malzeme Bilimi
 X-Işını fotoelektron spektroskopisi
 Arkeometri
 Kimya
 Polimer
 Jeoloji
 Farmakoloji
 Radyoloji
 Mağnetik nanoyapıların incelenmesi
 Mikro yapılar oluşturma
 X-Işını astronomisi
 Yüksek sıcaklık süperiletkenliği
 Foto elektron holografisi
 Çevre bilimi v.
Bazı Uygulamalar
Malzeme Bilimi:
 Sinkrotron ışığı spor ayakkabılarının, otomobil
kaportasının ve tamponlarının ve mobilya köpüğünün
geliştirilmesinde önemli rol oynadı.Tinersiz boya, otomobil,
uçak ve boru hatlarında korozyonun araştırılmalarında
başarıyla kullanıldı.
 Malzemedeki kusrların gerçek zamanlı gözlemleri.
 Moleküler fotofragmantasyonu
 Mikrofabrikasyon araştırmaları
 Açı çözümlemeli X--ışını floresans spektrometresi
Farmakoloji
 Farmakoloji Sinkrotron ışınımının yüksek
parlaklıklı foton demetleri kullanılarak proteinlerin
üç boyutlu yapısını aylar veya yıllar içinde çözmek
yerine günler içinde çözerek elde edecekleri bilgi
biyoteknoloji şirketlerinin yeni ve daha iyi ilaçlar
Tasarlamalarını sağlar.
Nanolitografi
 Optik litografi ile ulaşılabilen çözünürlük
değeri 500 nm ile sınırlı iken; sinkrotron
ışınımı 100 nm den daha iyi bir çözünürlük
sağlamaktadır. Bu ise elektronik ve mekanik
Araçların minyatürleştirilmesini sağlar.
KİMYA
Bir kimyasal reaksiyonun nasıl yürüdüğünü
anlamak için, moleküller üzerinde, molekül
hareket halinde iken çalışılmalıdır. Faz Geçişleri
ya da yapı değişimleri, bu reaksiyonlar ne kadar
hızlı yada farkedilemez olursa olsun Sinkrotron
Işınımı kullanılarak gözlemlenebilmektedir.
Sinkrotron Işınımın Dünyadaki durumu
Şu anda dünya genelinde 50 den fazla sinkrotron merkezi
bulunmaktadır.fakat herbirininin özelliği kapasitelerine ve
ürettikleri ışığın parlaklığına göre değişir.
 Advanced Light Source (ALS), Berkeley, California
 Advanced Photon Source (APS), Argonne, Illinois
 ALBA Synchrotron Light Facilty (formerly Laboratorio de Luz
Sincrotrón),
 Vallés, Spain
 ANKA Synchrotron Strahlungsquelle, Karlsruhe, Germany
 Australian Synchrotron, Melbourne, Victoria
 Beijing Synchrotron Radiation Facility (BSRF), Beijing
 Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung
 (BESSY), Berlin
 Canadian Light Source (CLS), Saskatoon, Saskatchewan
 Center for Advanced Microstructures and Devices (CAMD), Baton Rouge,
Louisiana
 Center for Advanced Technology (INDUS-1 and INDUS-2), Indore, India
 Cornell High Energy Synchrotron Source (CHESS), Ithaca, New York
 diamond, Rutherford Appleton Laboratory, Didcot, England
 • Dortmund Electron Test Accelerator (DELTA), Dortmund,







Germany
• Electron Stretcher Accelerator (ELSA), Bonn, Germany
• Elettra Synchrotron Light Source, Trieste, Italy
• European Synchrotron Radiation Facility (ESRF),
Grenoble, France
• Hamburger Synchrotronstrahlungslabor (HASYLAB) at
DESY, Hamburg,
Germany
• Institute for Storage Ring Facilities (ISA, ASTRID),
Aarhus, Denmark
• Laboratoire pour l'Utilisation du Rayonnement
Electromagnétique (LURE), Orsay, France
 Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) Sao Paolo,







Brazil
• MAX-lab, Lund, Sweden
• National Synchrotron Light Source (NSLS), Brookhaven,
New York
• National Synchrotron Radiation Laboratory (NSRL),
Hefei, China
• National Synchrotron Radiation Research Center
(NSRRC), Hsinchu, Taiwan,R.O.C
• National Synchrotron Research Center (NSRC), Nakhon
Ratchasima, Thailand
• Photonics Research Institute, National Institute of
Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
[formerly known as Electrotechnical Laboratory (ETL)]
• Photon Factory (PF) at KEK, Tsukuba, Japan
 • Pohang Accelerator Laboratory, Pohang, Korea
 • Shanghai Synchrotron Radiation Facility, (SSRF),







Shanghai
• Siberian Synchrotron Radiation Centre (SSRC),
Novosibirsk, Russia
• Singapore Synchrotron Light Source (SSLS),
Singapore
• SOLEIL Synchrotron, Saint-Aubin, France
• Stanford Synchrotron Radiation Laboratory (SSRL),
Menlo Park, California
• Super Photon Ring - 8 GeV (SPring8), Nishi-Harima,
Japan
• Swiss Light Source (SLS), Villigen, Switzerland
• Synchrotron Radiation Center (SRC), Madison,
Wisconsin