DOÇ.DR. SEMA BİLGE OCAK GAZİ ÜNİVERSİTESİ SINKROTRON IŞINIMI VE KULLANIM ALANLARI

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.

Sinkrotron Işınımı Sinkrotron 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.

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

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.

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. 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

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 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.)

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:

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.

· 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