Doç.Dr.Sema BİLGE OCAK GAZİ ÜNİVERSİTESİ...hareket yönü saptırılmı elektronlar, elektromanyetik ıınım yayımlarlar; • Bu sebeple her bir bükücü magnette (bending

DOÇ.DR. SEMA BİLGE OCAK

GAZİ ÜNİVERSİTESİ

SINKROTRON IŞINIMI VE KULLANIM

ALANLARI

• 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.

GİRİŞ

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 ?

• Elektronlar veya yüklü parçacıklar eğrisel

bir yörüngede tutunmak üzere

ivmelendiğinde hareket ettikleri yönde dar

bir demet şeklinde elektromanyetik ışıma

yaparlar

Sinkrotron Işınımı

• Parçacık demetinin bir veya daha fazla

RF alanlarla hızlandırıldığı ve

mıknatıslarla sabit yarıçaplı bir

yörüngede tutulduğu dairesel

hızlandırıcı

Sinkrotron

• 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.

110

Sinkrotron ışınımı, eV’dan eV’a kadar olan enerji aralığını ve m’den m’ye kadar olan dalga boyu aralığını kapsar.

110 510410

1210

Sinkrotron ışınımının dalga boyu ve enerjisi

Sinkrotron ışınımının dalga boyu ve

enerjisi

Bu aralık ise Atom, molekül, protein, kimyasal bağ ve kristallerin atomik

düzlemleri arasındaki en yakın mesafedir. Sinkrotron ışınımından elde

edilen fotonlar; katılar, sıvılar ve önemli biyolojik yapıları incelemek

için uygun özelliktedir

Aynı bölgenin ışık enerjisi birkaç eV’dan eV’a kadar değiŞir.Bu

enerji aralığı da atomlar, moleküller ve biyolojik sistemler içindeki

elektronların bağlanma enerjisine karşılık gelmektedir.

510

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.

m

vqBf

2

Demetin hızlandırılabilmesi için, RF frekansının dolanım

frekansının tam katıları olarak tutulur. Böylece, eşzamanlılık

koşulu sağlanır. Buradaki h katsayısı harmoniklik sayısı

olarak adlandırılır.

Sinkrotron ışınımının kaynağı olan elektron veya

pozitronların içinde dolandiği kapalı metal tüp içindeki

basınç ~ Torr mertebesindedir.

Avrupa sinkrotron ışınım kaynağı, Fransa

1010 1110

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 kez

artırılmış belli frekanslara sahip

sinkrotron ışınım demeti üretilir.)

510

SİNKROTON IŞINIMIN GÜCÜİvmenin 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

2

3

2

dt

dp

mc

rP c

2222

22

2

0 )(3

24EBCEB

mc

crP B

c

Sinkrotron ışınımı görüldüğü gibi magnetik

alanın ve demet enerjinin karesiyle

değişmektedir.

Sinkrotron ışınımı kendine has birtakım

özelliklere sahiptir

• · Kaliteli parlaklık: Sinkrotron ışınımı son derece şiddetlidir (Klasik x-ışını tüplerinin katı kadar şiddetlidir).

• · Geniş enerji spektrumu: Sinkrotron ışınımı kızılötesinden yüksek enerjili x ışınları (hard x-ray) bölgesine kadar geniş bir enerji aralığında yayımlanır.

• Ayarlanabilirlik: Seçilmiş herhangi bir dalgaboyunda şiddetli ışın elde etmek mümkündür.

510

• · 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