Y. Cenger, Ç. Kaya, Ö. Yavaş Ankara Üniversitesi Fizik Müh. Böl. III. ULUSAL PARÇACIK HIZLANDIRICILARI ve UYGULAMALARI KONGRESİ SİNKROTRON IŞINIMI VE SERBEST ELEKTRON LAZERİ İÇİN SALINDIRICI VE ZİGZAGLAYICI MAGNETLER Y. Cenger, Ç. Kaya, Ö. Yavaş Ankara Üniversitesi Fizik Müh. Böl. III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum İÇERİK: SI VE SEL İÇİN KULLANILAN SALINDIRICI VE ZİGZAGLAYICI MAGNETLERİN FİZİĞİ ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ (THM) POZİTRON HALKASI İÇİN HESAPLANAN IŞINIM KARAKTERİSTİKLERİ RADIA PROGRAMI İLE MAGNET TASARIMININ GEOMETRİK İNCELENMESİ ELEKTRO-MAGNET VEYA PERMANENT (KALICI) MAGNETLERİN FARKI III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum SI VE SEL İÇİN KULLANILAN SALINDIRICI VE ZİGZAGLAYICI MAGNETLERİN FİZİĞİ Salındırıcı (undulator) ve zigzaglayıcı (wiggler) magnetler periyodik olarak sıralanmış dipol magnetlerden oluşmuş özel magnetlerdir. III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum SI VE SEL İÇİN KULLANILAN SALINDIRICI VE ZİGZAGLAYICI MAGNETLERİN FİZİĞİ Salındırıcı veya zigzaglayıcı magnet alanı demet boyunca, periyod uzunluğu olmak üzere periyodiktir. z boyunca alan bileşeni ; s boyunca alan bileşeni ; III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum SI VE SEL İÇİN KULLANILAN SALINDIRICI VE ZİGZAGLAYICI MAGNETLERİN FİZİĞİ Demet ekseni boyunca periyodik olarak değişen magnetik alanın tepe değeri ; z=0 eksenindeki bileşen İdeal yörüngesinde ilerleyen parçacığın ulaşacağı maksimum sapma açısı; ve K salındırıcı kuvvet parametresi şeklinde ifade edilir. pratik birimlerde III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum SI VE SEL İÇİN KULLANILAN SALINDIRICI VE ZİGZAGLAYICI MAGNETLERİN FİZİĞİ Maksimum yörünge açısı ; halini alır. K > 1 ise zigzaglayıcı K < 1 ise salındırıcı K= 1 Zigzaglayıcı magnetlerin ışınım yelpazeleri salındırıcılara göre çok daha geniştir. Zigzaglayıcı magnet ışıması Salındırıcı magnet ışıması III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum SI VE SEL İÇİN KULLANILAN SALINDIRICI VE ZİGZAGLAYICI MAGNETLERİN FİZİĞİ Işınımın dalgaboyu; Işınımın dalgaboyu temel olarak salındırıcı magnet periyodu ve salındırıcı magnet kuvvet parametresi (K) ile belirlenir. Salındırıcıdan yayımlanan koherent ışınımın şiddeti; Salındırıcı ışınım spektrumunun tam genişliğinin yarı çizgi maksimumu; III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Dairesel Hızlandırıcılar SPring-8 ESRF European Synchrotron Radiation Facility Bulunduğu Yer Harima Science Garden City Hyogo, Japan Grenoble, France Enerjisi Demet hattı sayısı Çevresi 8 GeV 62 1436 m 6 GeV 56 844 m III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ SPECTRA programında Spring 8 Dairesel Hızlandırıcısı için örnek birer Salındırıcı incelemesi: Spring 8’de Kullanılan Salındırıcılar Linear Undulator Vertical Undulator Helical Undulator Elliptical Undulator Figure-8 Undulator Asymmetrıc Figure-8 Undulator III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ SPECTRA programında Spring 8 Dairesel Hızlandırıcısı için örnek birer Salındırıcı incelemesi: Spring 8’de Kullanılan Salındırıcılar Linear Undulator (Doğrusal Salındırıcı) Vertical Undulator (Dikey Salındırıcı) Helical Undulator (Helisel Salındırıcı) Elliptical Undulator (Eliptiksel Salındırıcı) Figure-8 Undulator (8 Şeklinde Salındırıcı) Asymmetrıc Figure-8 Undulator (Simetrik Olmayan 8 Şeklinde Salındırıcı) Salındırıcı Tipi Periyot Uzunluğu (cm) Periyotların Sayısı Minimum Gap Salındırıcı Açıklığı (mm) Maksimum K Değeri In-Vacuum 3.2 140 8 2.46 III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ SPECTRA programında 8 GeV enerjili elektron demetli Spring 8’in Doğrusal Salındırıcısı için elde edilen; Akı (foton/sn.mrad2 .%0,1B.G. ) – Enerji (eV) Grafiği 1.Harmoniğin Enerjisi 14,5627 keV 1.Harmoniğin Toplam Akısı ; 4,1145.1014 foton/sn.mrad2 .%0,1B.G. Elektron Demetinin Pik Akımı; 3,91953 A III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ SPECTRA programında 8 GeV enerjili elektron demetli Spring 8’in Doğrusal Salındırıcısı için elde edilen; Parlaklık (foton/sn.mrad2 .mm2 .%0,1B.G. ) – Enerji (eV) Grafiği 1.Harmoniğin Enerjisi 14,5627 keV Pik Parlaklığı; 1,85817.1021 foton/sn.mrad2 .mm2 .%0,1B.G. Elektron Demetinin Pik Akımı; 3,91953 A III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ SPECTRA programında Spring 8 Dairesel Hızlandırıcısı için örnek Zigzaglayıcı incelenmesi: Spring 8’de Kullanılan Zigzaglayıcı özellikleri Zigzaglayıcı Tipi Periyot Uzunluğu (cm) Periyotların Sayısı Minimum Gap Salındırıcı Açıklığı (mm) Maksimum K Değeri Vakum içinde 3.2 140 8 2.46 III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ SPECTRA programında 8 GeV enerjili elektron demetli Spring 8’in Zigzaglayıcısı için elde edilen; Akı (foton/sn.mrad2 .%0,1B.G. ) – Enerji (eV) Grafiği Zigzaglayıcıdan Çıkan Işınımın ; Kritik Enerjisi : 11,1107 keV Toplam Gücü : 1,23622 kW III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ SPECTRA programında 8 GeV enerjili elektron demetli Spring 8’in Zigzaglayıcısı için elde edilen; Parlaklık (foton/sn.mrad2 .mm2 .%0,1B.G. ) – Enerji (eV) Grafiği Zigzaglayıcıdan Çıkan Işınımın ; Kritik Enerjisi : 11,1107 keV Toplam Gücü : 1,23622 kW III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ XOP programında ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) için örnek Salındırıcı incelenmesi: Salındırıcı Tipi Periyot Uzunluğu (m) Periyotların Sayısı Yatay K Değeri Dikey düzlemsel 0.046 32 1.7 III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ XOP programında 6 GeV enerjili elektron demetli ESRF’in Doğrusal Salındırıcısı için elde edilen; Akı (foton/sn.mrad2 .%0,1B.G. ) – Enerji (eV) Grafiği Toplam Güç = 531.743 W Güç Yoğunluğu =17825.627 W/mrad2 III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ XOP programında 6 GeV enerjili elektron demetli ESRF’in Doğrusal Salındırıcısı için elde edilen; Parlaklık (foton/sn.mrad2 .mm2 .%0,1B.G. ) – Enerji (eV) Grafiği K Değeri : 0.298 - 2.779 1.Harmoniğin Parlaklığı: ~ 5.1018 foton/sn.mrad2 .mm2 .%0,1B.G. III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ XOP Programında ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) için Zigzaglayıcı Magnet İncelenmesi: Salındırıcı Tipi Periyot Uzunluğu (m) Periyotların Sayısı K Değeri Demet Enerji (GeV) düzlemsel 0.125 12 14 6.04 III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ÖRNEK LABORATUVARLARIN IŞINIM ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ XOP programında 6 GeV enerjili elektron demetli ESRF’in Zigzaglayıcısı için elde edilen; Akı (foton/sn.mrad2 .%0,1B.G. ) – Enerji (eV) Grafiği Zigzaglayıcı Açıklığı :10.7218 mm III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ (THM) POZİTRON HALKASI İÇİN HESAPLANAN IŞINIM KARAKTERİSTİKLERİ “Charm Fabrikasının Depolama Halkası için Temel Hızlandırıcı Parametreleri” III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

Magnetik alan değeri [ T ] TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ (THM) POZİTRON HALKASI İÇİN HESAPLANAN IŞINIM KARAKTERİSTİKLERİ SPECTRA Programında Pozitron Depolama Halkası İçin Salındırıcı Tasarımı : Magnetik alan değeri [ T ] 0,28 Peryot uzunluğu [ cm ] 3 Peryot sayısı 60 Toplam uzunluk [ m ] 1,8 K 0,78 III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ (THM) POZİTRON HALKASI İÇİN HESAPLANAN IŞINIM KARAKTERİSTİKLERİ SPECTRA programında 3.56 GeV enerjili pozitron demetli THM’nin Doğrusal Salındırıcısı için elde edilen; Akı (foton/sn.mrad2 .%0,1B.G. ) – Enerji (eV) Grafiği 1.Harmonik Enerjisi ; 3,057 keV 1.Harmoniğin Toplam Akısı ; 3,81.1014 foton/sn.mrad2 .%0,1B.G. Elektron Demetinin Pik Akımı; 8,6 A III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ (THM) POZİTRON HALKASI İÇİN HESAPLANAN IŞINIM KARAKTERİSTİKLERİ SPECTRA programında 3.56 GeV enerjili pozitron demetli THM’nin Doğrusal Salındırıcısı için elde edilen; Parlaklık (foton/sn.mrad2 .mm2 .%0,1B.G. ) – Enerji (eV) Grafiği 1.Harmoniğin parlaklığı; 2.64.1018 foton/sn.mrad2 .mm2 .%0,1B.G. Pik Parlaklığı; 1,48.1020 III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ (THM) POZİTRON HALKASI İÇİN HESAPLANAN IŞINIM KARAKTERİSTİKLERİ SPECTRA programında 3.56 GeV enerjili pozitron demetli THM’nin Doğrusal Salındırıcısı için elde edilen; K Değeri – Enerji (eV) Grafiği III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ (THM) POZİTRON HALKASI İÇİN HESAPLANAN IŞINIM KARAKTERİSTİKLERİ SPECTRA programında 3.56 GeV enerjili pozitron demetli THM’nin Zigzaglayıcısı için elde edilen; Akı (foton/sn.mrad2 .%0,1B.G. ) – Enerji (eV) Grafiği Zigzaglayıcıdan Çıkan Işınımın ; Kritik Enerjisi : 2,35 keV Toplam Güç : 0,241725 kW III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ (THM) POZİTRON HALKASI İÇİN HESAPLANAN IŞINIM KARAKTERİSTİKLERİ SPECTRA programında 3.56 GeV enerjili pozitron demetli THM’nin Zigzaglayıcısı için elde edilen; Parlaklık (foton/sn.mrad2 .mm2 .%0,1B.G. ) – Enerji (eV) Grafiği III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

RADIA PROGRAMI İLE MAGNET TASARIMININ GEOMETRİK İNCELENMESİ Salındırıcı türü Demir-Hibrit (Hybird with Iron) kullanılacak magnet malzemesi ise NbFeB kalıcı (permanent) magnet olarak seçilmiştir. Gap aralığı 20 cm alınarak RADIA programında 3 cm periyotlu, periyot sayısı 60 olan salındırıcı tasarlanmıştır. Tasarımı yapılan salındırıcı 1.8 m uzunluğundadır. Salındırıcı Parametreleri Salındırıcı peryodu [mm] 30 Periyot Sayısı 60 Salındırıcı Parametresi 0.3-0.9 Maksimum Salındırıcı Parametresi 0.8 III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

RADIA PROGRAMI İLE MAGNET TASARIMININ GEOMETRİK İNCELENMESİ Demir NbFeB kalıcı (permanent) magnet III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

RADIA PROGRAMI İLE THM MAGNET TASARIMININ GEOMETRİK İNCELENMESİ RADIA Programı ile Tasarlanan Salındırıcının Pik Alanı (T) - Kutup Genişliği (mm) Grafikleri Grafiği III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

RADIA PROGRAMI İLE MAGNET TASARIMININ GEOMETRİK İNCELENMESİ RADIA Programı ile Tasarlanan Salındırıcının Magnetik Alan Grafiği Mıknatıslanmanın (Magnetization) Ortalama Kararlılığı: 0,000283585 T Maksimum Tam Mıknatıslanma: 2,10744 T Maksimum H Vektörü : 1,07691 T Merkezdeki Magnetik Alan Bz (0,0,0) : 0,240426 T III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ELEKTRO-MAGNET VEYA PERMANENT (KALICI) MAGNETLERİN FARKI Uzun bir müddet magnetize kalan magnetlere permanent magnet denir. Önceki magnetizasyonu kaybeden magnetlere impermanent magnetler denir. Permanent magnetler III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ELEKTRO-MAGNET VEYA PERMANENT (KALICI) MAGNETLERİN FARKI Permanent magnet magnetikliğini aşağıdaki yollarla kaybeder: Magneti, Curie sıcaklığını geçmek suretiyle ısıtıp, uzun erimli düzenini bozarak magnetikliği kaybettirilebilinir. Bir magneti diğerine çeşitli yollarla dokundurulursa magnetikliğini kaybeder, ama bazı durumlarda, bazı materyaller çok büyük zorlayıcı alana sahip olurlar, bu durumda başka bir permanent magnetle demagnetize olmazlar. Vurmak ya da sallamak magnetin uzun erimli düzenini bozar. İçinden AC akım geçen bir selonoidin içine konulursa magnetin uzun erimli düzeni bozulur, aynı şekilde DC akım magnette düzeni sağlar. III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ELEKTRO-MAGNET VEYA PERMANENT (KALICI) MAGNETLERİN FARKI Kalıcı magnet çeşitlerine örnek olarak: Neodyum magnetler – NdFeB Permanent magnetlerin en yüksek enerjili ürüne sahip olanıdır. Şiddetini sıcaklık 80 ºC olduğunda kaybederler. Samaryum-Kobalt magnetler – SmCoA , NdFeB gibi güçlü bir magnet değildir, ancak korozyon ve ısıya dirençlidir. Sıcaklık 250ºC’ye gelmeden şiddetini kaybetmezler. AINiCo magnetler – Bu magnetler alüminyum, nikel ve kobalttan meydana gelir. Kırılgan olmalarında rağmen, korozyon direncine sahiptirler ve 800 ºC gibi oldukça yüksek Curie sıcaklığına sahiptirler. III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ELEKTRO-MAGNET VEYA PERMANENT (KALICI) MAGNETLERİN FARKI Kangaldan akımın geçtiği, materyal içindeki küçük magnetik bölgeler (magnetic domains) magnetik alanla hizaya geçer ve magnetik alan şiddetini yükseltirler. Akım arttıkça, tüm magnetik bölgeler aynı hizaya gelmiş olur, bu duruma doyma (saturation) denir. Bir kez çekirdek (core) doyuma ulaşınca, akımdaki artışlar, göreceli olarak magnetik alanda çok az artışlara sebep olur. III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

ELEKTRO-MAGNET VEYA PERMANENT (KALICI) MAGNETLERİN FARKI Hızlandırıcı fiziği açısından bakılacak olursa ; Salındırıcılarda elektromagnet yerine kalıcı magnetler tercih edilir. Bunun sebebi ise; Değişken bir magnetik alan yerine değişmez, sabit bir magnetik alanın istenmesidir! Salındırıcılarda kalıcı ve özellikle güçlü magnetik özelliklere sahip magnetler kullanılması gerekmektedir. Bu özelliklerin sağlanması permanent (kalıcı) magnetlerle mümkündür. Örnek olarak salındırcılar için en çok kullanılan magnetik malzemeler SmCo ve NdFeB verilebilir. III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum KAYNAKLAR YUUP Projesi II. Altı Aylık Gelişim Raporu “TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ TEKNİK TASARIMI VE TEST LABORATUVARLARI” Şubat 2007, Ankara Elias, L. R. Fairbank, W. M. Madey, J. M. J. Schwettman, H. A. and Smith, T. I. 1976. Observation of stimulated emission of radiation by relativistic electrons in a spacially periodic transfer magnetic field. PRL, 36, 717. Wiedemann, H. 2003. Synchrotron radiation. Springer, 269, Germany. Wilson, E. 2001. An introduction to particle accelerators. Oxford University Press, 249, New York. Yavaş, Ö. 2001. 4. Nesil ışınım kaynağı olarak serbest elektron lazerleri. I.Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Uygulamaları Kongresi (UPHUK I). www.spring8.or.jp/en/?set_language=en&cl=en bilge.science.ankara.edu.tr www.esrf.eu/Accelerators/Groups/InsertionDevices/Software/Radia www.desy.de www.wikipedia.com III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum

UPHUK-IV’te Görüşmek Üzere… TEŞEKKÜRLER III.UPHUK 17-19.09.2007 Muğla, Bodrum