TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ KIZILÖTESİ SERBEST ELEKTRON LAZERİNİN UYGULAMA ALANLARI VE AR-GE POTANSİYELİ M. TURAL, Ö. KARSLI, Y. CENGER, Ç. KAYA, S. TEKİN, Ö. YAVAŞ Ankara Üniversitesi UPHUKIII, 17-19 Eylül 2007 Bodrum, TÜRKİYE

İÇERİK Giriş THM IR- SEL SEL’ in Avantajları IR-SEL’ in Biyomedikal Uygulamaları IR-SEL’ in Fotokimya Uygulamaları IR-SEL’ in Malzeme ve Nanoteknoloji Uygulamaları IR- SEL’ in Savunma Sanayii Uygulamaları Dünyadan Örnek Laboratuarlar

Giriş SEL, atomik ve moleküler sistemlerde bağlı olmayan elektronun kullanıldığı yeni lazer türlerindendir. Elektronun kinetik enerjisi koherent elektromanyetik ışımaya dönüştürülür. Bu dönüşümde salındırıcı adı verilen manyetik aletlerin oluşturduğu manyetik alanın etkisi kullanılmaktadır.

Türk Hızlandırıcı Merkezi Kızılötesi Serbest Elektron Merkezi

Türk Hızlandırıcı Merkezi Kızılötesi Serbest Elektron Merkezi 1.Salındırıcı 2.Salındırıcı Salındırıcı Periyodu [cm] 9 3 Manyetik Alanı [T] 0,1- 0,275 0,1 - 0,35 Şiddet Çarpanı 0,8 – 2,3 0,3- 1 Kutup Sayısı 40 50 Boyu [m] 3,6 1,5

Türk Hızlandırıcı Merkezi Kızılötesi Serbest Elektron Merkezi U1 (u=3 cm) U2(u=9 cm) 80 pC 120 pC Dalgaboyu Boyu Aralığı [µm] 2.6-27 10-185 Maksimum Pik Gücü[MW] 10 12 15 Atma Enerjisi [µm] (max) 2 4 Foton Akısı [foton/s/mrad/%0.1BG] 1016 Lazer Tepe Parlaklığı [foton/s/mm2/mrad/%.1BG] 1031

Türk Hızlandırıcı Merkezi Kızılötesi Serbest Elektron Merkezi TAC IR SEL TAC IR FEL

IR- SEL’ in Avantajları Ayarlanabilir dalgaboyu Geniş dalgaboyu aralığı: yakın IR’ den uzak IR bölgesine kadar Tekrarlanabilir kısa atmalar: ps mertebesinde Ortalama parlaklığı: 10 16 Yüksek pik gücü: MW mertebesinde Ortalama güç: ~W

Biyoteknoloji ve Biyomedikal Foto-termal etkilerle dokuların kesilmesi, foto-mekanik etkilerle sert dokuların kaldırılması (6.45 µm), FEL ışınlaması öncesi (b) Işınlama sonrası elde edilen tümör

Biyoteknoloji ve Biyomedikal Sinir Cerrahi araştırmaları (6.45 µm) Örneğin göz siniri zarı tedavisi

Biyoteknoloji ve Biyomedikal Beyin tümörü tedavisi (6.45 µm), FEL ışınlaması öncesi MRI görüntüsü Işınlamanın 1 hafta sonrası MRI görüntüsü.

Biyoteknoloji ve Biyomedikal Seçilen bölgeden kolesterolün temizlenmesi (5.75 µm) İnsan atardamarının Infrared Soğurma Spektrumu

Biyoteknoloji ve Biyomedikal Diş minesinin yeniden mineralize edilmesi veya dişin taç bölgesinin açığa çıkarılması (10 µm), Diş üzerinde seçilen bölgeden fosforik asid iyonlarının temizlenmesi (9,4 µm),

Biyoteknoloji ve Biyomedikal “Matrix-Assisted Laser Desorption- İonization Mass Spectroscopy” (MALDI-MS) tekniği ile büyük moleküllerin karakterizasyonu (protein molekülleri, 2,94 µm, IR-MALDI), Biyolojik örneklerdeki ışınlama etkilerinin çalışılması (3-16 µm),

Fotokimya “Sum Frequency Generation” (SFG) tekniği ile yüzeyler üzerindeki ışınımı soğuran türlerin spektroskopisinin incelenmesi. Yani SFG yüzeye katkılanan türlerin spektroskopisini inceleyen bir tekniktir Örneğin 5-µm dalgaboyu ile metanol içerisindeki platinin (Pt) yüzey ölçümü yapılmaktdır.

Fotokimya Toplam-Frekans Jenerasyonu (SFG); Farklı renkte yani farklı frekanslarda iki lazer demeti kullanılarak iki demet kristalde uygun boşluğun içinde üst üste bindirilir. Kristalin içinden geçtikten sonra, frekansı gelen ışınların frekanslarının toplamı olan üçüncü renk elde edilir. Bir kızılötesi demet ve görünür bölgede bir demet kullanılırsa, toplam frekans, molekülün titreşimsel parmak izini verir.

Fotokimya SFG yöntemi ile kimyasal yapılar, malzemenin yapı analizi, yüzey çalışmaları yapılmaktadır. Yüzey çalışmaları için dalga boyu aralığı 2,5-10 µm Malzeme çalışmaları için 9 – 55 µm FEL’ in avantajı; ayarlanabilir dalga boyu ve yüksek pik gücü

Fotokimya Moleküllerdeki titreşimsel enerji transferlerinin incelenmesi çalışmaları (3-90 µm), “Selected Mode Chemistry” çalışmaları (Örneğin formik asit ve nitromethane’ın izotop seçici multifoton ayrışımının gözlemlenmesi) (3-90 µm),

Malzeme ve Nanoteknoloji Yüzey modifikasyonu ve yüzey cilalanması Daha dayanıklı ve pürüzsüz malzeme üretimi yapılabilir. Pürüzsüz yüzey; sürtünmeyen, ısınmayan, kirlenmeyen hatta hastalık üretmeyen bir yüzeydir. Bu yüzeylerin tıptan, ev eşyasına kadar saymakla bitmeyecek kullanım alanı vardır. Klasik Lazerlerin bu basit uygulamalarına SEL’ in de büyük katkısı olacaktır.

Malzeme ve Nanoteknoloji Devrelerde iletkenliğin artırılması Lazerlerle çok daha ince bakır plaketlere çok daha ince elektriksel yollar açılması mümkündür.

Malzeme ve Nanoteknoloji Pump-probe tekniği ile dar bant genişlikli yarıiletkenler üzerindeki koherent geçiş etkilerinin artışının gözlenmesi, Michelson interferometresi kullanılarak demet iki atmaya ayrılır. Pek çok deneyde iki atma da aynı lazerden elde edilir ve yoğunlukları hariç eş karakteristiklere sahiptir.

Malzeme ve Nanoteknoloji Pompa atması örnekte fiziksel yada kimyasal değişiklikler oluşturur. Amaç durulma süreçlerini ölçmektir. Sonda atmaları durulma süreçlerinin görüntülenmesini sağlar. Durulan örnek zaman bağımlı soğurma yada yansıma gösterir. Pompa ve sonda için FEL mikro pulslar Sonda için Ti:sapphire lazer, pompa için FEL Pompa ve sonda için Ti:sapphire lazer

Malzeme ve Nanoteknoloji SEL- PAS (Foto Akustik Spektroskopi) ile yarıiletken araştırmaları (5-22 m), IR-SEL’ in foto-akustik sürece uygulanması SEL-PAS olarak bilinir. Hedef molekülün spektral dalga boyu ile üst üste binen bir module lazer demetinin soğurulması ile hedef molekül uyarılır. Uyarılan molekülün soğurulmuş ışınım enerjisi çarpışmalarla modulasyon frekansında periyodik lokal ısınmaya dönüştürülür. Bu şekilde oluşturulan akustik dalgalar bir mikrofon ile gözlemlenir.

Malzeme ve Nanoteknoloji Örnek hücre, PA sinyallerini eş zamanlı olarak algılayabilmek bir mikrofona sahiptir ve XY düzlemine yerleştirilmiştir. Odaklama aynası, eksensiz parabolik bir aynadır ve PA hücresinin üzerindedir. Ölçüm alanının gözlemlenmesinde optiksel mikroskop kullanılır ve örnek parabolik aynalarla ışınlanır. Örnek, ızgara tarama ile hareket ettirilebilir. Sinyal değeri örneğin PAS görüntüsüne dönüştürülür. SEL-PAS görüntüleme sistemleri örnek yüzeyinin mikroskopik analizi için kullanışlı bir yöntemdir.

Malzeme ve Nanoteknoloji Yarıiletkenlerdeki nokta kusurların ve safsızlıkların, nanokristallerdeki homojen olmayan dağılımların , sıvılardaki dinamik değişimlerin yapısının ölçülmesi, kısmen düzensiz katılarda (homojen olmayan yayılmış moleküler komplekslerde) dinamik yapıların belirlenmesi uygulanabilir. Bu çalışmalar Foton yansıma deneyleri olarak adlandırılır.

Malzeme ve Nanoteknoloji Pikosaniye atmalar zaman skalasında dinamik interatomik ve intermoleküler etkileşmelerin incelenmesine imkan sağlar. 1,5 μm dalga boylu FEL kullanılır.

Savunma Sanayiindeki Uygulamaları Gemilere yerleştirilecek sistemler ile roket ve uçaklara karsı çok etkili ve sınırsız cephaneli bir savunma imkanı oluşturulabilir. Gerekli düzenlemeler ile tek bir SEL kaynağı kullanan bir geminin farklı noktalarına optik sistemlerle ışıma taşınabilecek ve SEL üreteci geminin zırhlı bölgesinde koruma altında, zarar görmeden çalışmasına devam edebilecektir.

Savunma Sanayiindeki Uygulamaları Çeşitli patlayıcı moleküllerin dönümsel ve titresimsel spektral bölgesi THz frekans bandında (3-300 /cm, or 100 GHz to 10 THz) yer alır. Zamana bağlı THz spektroskopisi farklı maddelerin örgü titreşiminden yararlanarak tespit edilmelerini sağlar. THz dalgaların giysi, plastik, tahta, kum ve toprak içerinde hatırı sayılır bir ilerleme derinliği vardır. Patlayıcıların kendi etraflarını saran malzemeye göre ayırtedici THz spektral farklılıkları olduğundan, THz teknolojisi paketlenmiş yada gömülmüş patlayıcıların tespit edilmesinde kullanılabilir.

Savunma Sanayiindeki Uygulamaları Günümüzde patlayıcıların THz bandındaki "parmak izleri" saptanmakta ve mayın tespiti amacı ile THz görüntülemede kullanılabilme özellikleri araştırılabilir.

Savunma Sanayiindeki Uygulamaları SEL kullanarak üretilebilecek seramik bileşenler ile minyatür uydular yapılabilir. Bu uydularla askeri olduğu kadar sivil iletişimde de yeni bir çağın başlayacağı kesindir. Tek bir roket ile onlarca uyduyu yörüngeye yerleştirmek mümkün olacaktır. Böylece iletişim maliyetlerinde büyük düşmeler sağlanacak ve yasam kalitesi yükselecektir.

Savunma Sanayiindeki Uygulamaları Çok yüksek çözünürlüklerde radarlara göre eş zamanlı sayılabilecek hızda görüntü elde etme mümkün olabilir. Üslere veya havaalanlarına yerleştirilen lazerler ile 15 km yarıçapa sahip bir yarımküreye girecek roketler peşi sıra imha edilebilir. Gerekli güç bu lazerler ile sağlanabilir.

Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri CLIO (Fransa) CLIO SEL her biri 1 m olan iki salındırıcıdan oluşmakta ve bu salındırıcılar birbirinden bağımsız ayarlanabilmektedir. Orta-IR bölge aralığında yaklaşık 20 m’ ye kadar eş zamanlı olarak iki renkte birbirinden bağımsız olarak ayarlanabilen ışınım elde edilir.

Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri CLIO (Fransa) Yakın alan mikroskopi deneyleri: Özel olarak Atomik Kuvvet Mikroskop’ u (AFM) bulunmaktadır. Pump-probe ve foton yansıma deneyleri: Burada değişik moleküller çalışılmakta ve biyolojik moleküller üzerine çalışmalar da planlanmaktadır.

Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri CLIO (Fransa) Toplam frekans oluşumu deneyleri (SFG): Yüzey fiziği çalışılmaktadır. CLIO ile eşzamanlı atmalar yayan lazerler kullanılıyor. Multifoton Dağılımı/ İon-Siklotron Rezonans (MPD-ICR) Kütle Spektrometresi: 7 T lik süperiletken magnet kullanılır. Yüksek manyetik alan büyük biyolojik moleküllerin kütle spektroskopisinin araştırılmasına olanak sağlamaktadır.

Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri CLIO (Fransa) 1992’den beri CLIO’ da uygulanan projelerin dağılımına bakacak olursak; 30 % SFG ile yüzey çalışmaları, 22 % SFG ile elektrokimya çalışmaları, 22 % matris formundaki moleküllerin araştırılması, 12 % yarıiletken ve kuantum yapıları, 7 % yakın alan kızılötesi mikroskopisi, 3,5 % yüzey fotoyayınımı, 3,5 % eczacılık çalışmaları görülmektedir.

Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri ELBE (Almanya) 3 m ile 150 m arasında kızılötesi bölgede SEL üretmektedir. Yakın Alan Mikroskopisi: Kullanılan ışınımın dalga boyundan çok daha küçük çözünürlüklü iki boyutlu örneklerin karakterizasyona imkan verir. Yarıiletken Spektroskopisi: 1- 150 μm dalgaboyu, yarıiletkenlerde ve yarıiletken kuantum yapılarda ( plasmonlar, fononlar gibi) uyarılma karakterleri olan enerjilerle ( 8- 250 meV) uyuşmaktadır. Bu nedenle ELBE’ de gevşeme dinamiğinin zaman-çözünürlük çalışmaları yapılabilmektedir.

Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri ELBE (Almanya) Biyomoleküllerin spektroskopisi: Doğadaki actinide bileşenlerin göç davranışı araştırmalarında kullanılmaktadır. Çevredeki türlerin dağılımının detaylı açıklanması insanoğlunu öncelikle uranyum aktivite atıkları veya nükleer kazalar gibi radyasyonel kontaminasyonlardan korumaktır. Kızılötesi spektroskopi: Mineral yüzeyleri gibi ağır metal bileşenlerinin doğal ara yüzlerle moleküler etkileşimini belirlemede çok yararlı bir tekniktir. Spektrumunda örnek içerisinde mevcut olan metal elementlerin ve soğurma sırasında şekillenen molekül komplekslerinin yapısının belirlenmesini sağlanır.

Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri iFEL (Japonya) 2 RF linak ve 4 undulatörden oluşan bir sisteme sahiptir. Elde edilen ışınım ilk sistemde 0,23 µm ile 60 µm aralığındadır. Diğer sistemle ise 50 µm’ den 100 µm ye kadar ulaşır. Bu ışınım teşhis odasına ve 4 kullanıcı istasyonlarına taşınır.

Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri iFEL (Japonya) Ana araştırma alanları, Yüksek kalitede ve daha uzun dalga boylarında ışınım elde etme amaçlı demet fiziği, Yarıiletken uygulamaları, Çevre kimyası ve demet fiziği çalışmalarının demet kalitesini desteklemesinden faydalanılarak çalışılan biyomedikal uygulamalar

Dünyadaki IR-SEL Laboratuar Örnekleri iFEL (Japonya) 2004 yılına kadar üniversitelere, ulusal laboratuarlara ve özel şirketlere ait araştırma grupları ile işbirliği içerisinde 40 uygulama çalışması gerçekleştirilmiştir. Araştırma alanlarında makine çalışma süresi; Biyomedikal uygulamalar 60% Yarıiletken araştırmaları 24% Fotokimya 8%

Sonuç Hızlandırıcı teknolojileri ile tanışmak ve bu teknolojiyi AR-GE amaçlı kullanmak üzere ülkemizde bir IR-SEL kurulması yüksek teknolojiye dayalı malzeme, yarıiletken, medikal ve fotokimyasal araştırmalarının dünya ölçeğinde yapılmasına olanak sağlayacaktır. Hızlandırıcıya dayalı ışınım kaynağı olan IR-SEL’i hayata geçirebilmek ülkemizde hızlandırıcı teknolojileri ile tanışmanın ilk adımını oluşturacaktır.

Kaynaklar http://www.bilge.science.ankara.edu.tr TÜRK HIZLANDIRICI MERKEZİ FİZİBİLİTE RAPORU, “Sinkrotron Işınımı ve Serbest Elektron Lazeri Kullanımı İçin Genel Tasarım, DPT2003K-1201906-5 No.lu Proje Sonucu Raporu (http://bilge.science.ankara.edu.tr/) KARSLI, Ö., 2006. Hızlandırıcılara Dayalı Kızıl Ötesi Serbest Elektron Lazeri (IR-FEL) Optimizasyonu. Yüksek Lisans Tezi. http://www.lure.u-psud.fr/clio.htm http://www.fel.eng.osaka-u.ac.jp

Kaynaklar P. Shea et al., Free-Electron Lasers: Status and Applications.Science. Vol.292:1853-1858, (2001). S.Y.Suzuki et al., Proceedings of the FEL 2004 Conference, Trieste, 692-694 (2004). G.S. Edwards et al., Applications of Free Electron Lasers in the Biological and Material Science. G.S. Edwards et al., Free Electron Laser based Biophysical and Biomedical Instrumentation. S. Krishnagopal et al., Free- Electron Lasers: Current Science, Vol. 87, No.8, 2004 Couprie, M.-E. et. al. 2000. Free-electron lasers sources for scientific applications. Analusis, 28, 725-736. S.Satoh et al., Proceedings of the FEL 2004 Conference, Trieste, 695-698 (2004).

Teşekkürler…