HIZLANDIRICILARDA PARÇACIK KAYNAKLARI İstanbul Üniversitesi Latife Şahin Yalçın IX. Uluslararası Katılımlı Parçacık Hızlandırıcıları ve Detektörleri Yaz Okulu 10 - 15 Eylül 2013, BODRUM/TÜRKİYE

İçerik Parçacık kaynağı nedir? Parçacık kaynak çeşitleri nelerdir? Çalışması için nelere ihtiyaç vardır? Parametreleri nelerdir? İyon kaynağını anlamak için plazma hakkında bazı temel bilgiler

Parçacık Kaynağı Parçacık hızlandırıcıları veya başka uygulamalar için iyon veya elektron demeti üreten cihazlara parçacık kaynakları denir.

Parçacık kaynakları Her hızlandırıcı bir parçacık kaynağına ihtiyaç duyar. Parçacık kaynakları sadece hızlandırıcılar tarafından kullanılmazlar. İyon implantasyonu, füzyon uygulamaları, tıp, gıda ışınlanması gibi birçok alanda uygulaması bulunmaktadır. İstediğimiz amaca ve akıma yönelik parçacığı elde etmek için uygun parçacık kaynaklarını kullanmak gereklidir.

Genel bir hızlandırıcı kompleksi Parçacık kaynağı hızlandırıcı zincirinin ayrılmaz bir parçasıdır. Parçacık Kaynağı Dairesel Hızlandırıcı Lineer Hızlandırıcı

Parçacık kaynakları Çok küçük ve basit!! Çok büyük ve karmaşık !!

Bir parçacık kaynağı hangi bileşenlerden oluşur? Aynı zamanda; I.Onları besleyecek güç kaynakları II. Soğutma Sistemleri III. Plazma ve demet diyagnostiği IV.Vakum sistemi V. Güvenlik sistemi Plazma odacığı Ekstraktör sistemi İyon çıkış deliği Malzeme girişi Plazma üretmek için voltaj Parçacık kaynakları için basit tek bir çizim yoktur!!

Parçacık Demet Karakteristiği Plazma: demet akımı plazma yoğunluğuna, plazma elektron sıcaklığına bağlıdır Ekstraktör ( parçacık çıkarıcı): Demet akımı, çıkarıcı voltajına ve geometrisine bağlıdır

Maddenin Dört Hali

Plazma

Plazma O halde, İyonizasyon aslında plazma oluşum işlemidir Plazma; iyonize gaz: İyon, elektron ve nötr atom karışımıdır Elektriksel olarak nötr; pozitif yüklerin sayısı negatif yüklere eşittir Elektrik ve manyetik alanla etkileşir Basit bir parçacık kaynağı için plazmanın üretilmesi ve parçacıkların plazmadan çekilerek hızlandırılması gereklidir Plazma yoğunluğu ve plazma sıcaklığı en temel parametrelerdir

Plazma Yoğunluğu Plazma elektron yoğunluğu ne ,plazma iyon yoğunluğu ni ve yüksüz parçacık yoğunluğundan nn oluşur Eğer tekli iyonizasyon mevcut ise ne= ni dir. Çoklu yük iyonizasyonda bu sayılar eşit olmaz fakat yük korunumu hala sağlanır, Q yük durumunu ifade eder. Qi = +1 tekli iyonlaşma, Qi = +2, +3, .. Çoklu iyonlaşma, Qi = - 1 negatif yüklenmiş iyonlar, Qe= -1 elektron yükü Plazma yoğunluğu ortalama iyon veya elektron yoğunluğu demek anlamına gelir

İyon nedir? Elektrik yüklü atom ya da atom grubudur Bir atom ya da atom grubu bir veya daha fazla elektron kaybeder veya kazanırsa elektrik yükü kazanmış olur.

Helyum atomu Yük? Qi= +1? ni,ne,nn=? Qi= +2? ni,ne,nn=? Elektron Proton Nötron

Parçacık sıcaklığı Plazma parçacıklarının enerjisi bir sıcaklıkla tanımlanır( kT, k= 1.6 x 10-19 J eV-1, 1eV = 11600 K) Birçok lab. plazması

Parçacık Kaynakları Elektron Kaynakları(TARLA) İyon Kaynakları Pozitif iyon kaynakları Negatif iyon kaynakları Anti-parçacık kaynakları Nötron kaynakları Proton kaynağı Elektron kaynağı 16

Elektron kaynakları Elektron kaynakları da parçacık hızlandırıcıları için elektron demeti üreten kaynaklardan biridir. Elektron demetinin kaynağı katottur(flament). Elektron demetleri üretim mekanizmasına göre sınıflandırılabilirler

Elektron kaynakları Elektron kaynak çeşitleri: Termiyonik emisyon(yayılım) Yüksek alan emisyonu Fotoelektrik emisyonu Bu kaynaklar nasıl çalışır?

Termiyonik emisyon Flament yüksek erime noktası ve düşük iş fonksiyonlu malzemeden yapılır Filament elektron akışı olana kadar ısıtılır. Negatif bir potansiyel(birkaç yüz Volt) Wehnelt silindirine uygulanır. Anota pozitif bir elektriksel potansiyel uygulanır. Elektronlar anota doğru hareket ederken, katot tarafında, yayılan elektronların bir kısmı Wehnelt silindiri tarafından geri itilirler. Elektronlar pozitif potansiyel ile aşağı doğru hızlandırılırlar. Anot üzerindeki delikten çıkarlar http://www.matter.org.uk/tem/electron_gun/electron_gun_simulation.htm

Termiyonik emisyon Flament akımı, flament sıcaklığını ve dolayısıyla yayınlanan elektronların sayısını kontrol eder Flamentin küçük bir bölgesinden elektronların yayınlanması istenilir Flament akımı demet akımı artık yükselemeyeceyi noktaya gelene kadar artırılır Bias potansiyeli flamentte elektronların yayınlanacağı bölgeyi kontrol eder

Termiyonik emisyon J = A . T2 . e ( -11600 .  / T ) Isıtılan yüzey bir katodu meydana getiriyor ise verilen sıcaklıkta yayınlanan maksimum akım yoğunluğu Richardson/Dushman denklemi ile verilir. Bu denklemde  eV cinsinden iş fonksiyonudur. A ise 120 amper/cm2K2 değerinde teorik bir değerdir. Yandaki tabloda sıklıkla kullanılan termiyonik katotların bazı temel parametreleri yer almaktadır. Metal Akım(A)  İş Fonksiyonu (eV) Sıcaklık (° K)  Akım yoğunluğu (A/cm2)  Tungsten  60  4.54  2500  0.3  Toryum katkılı tungsten  3  2.63  1900  1.16  Karışmış oksitler 0.01  1.  1200  Sezyum 162  1.81  Tantal 3.38  2.38  Sezyum/Oksijen/Tungsten 0.003  0.72  1000  0.35  J = A . T2 . e ( -11600 .  / T )

Termiyonik katot malzeme İki parametre önemlidir W=İş fonksiyonu (mümkün olduğu kadar düşük) T=Çalışma sıcaklığı(yüksek tercih edilir) Sezyum(Cs) düşük iş fonksiyonu sahip fakat çalışma sıcaklığıda düşük (T=320K) => Yüksek akım için iyi değil Metaller: Ta (4.1eV, 2680K), W (4.5eV, 2860K) BaO iyi özelliklere sahip (1eV; 1000K) fakat havada oksitleşir

Soru Aşağıdaki metaryellerden hangisi aynı sıcaklıkta en yüksek termiyonik akımı verir? (a) Demir (Fe); W=4.7 eV (b) Gadolinyum (Gd); W=2.90 eV (c) Kobalt (Co); W=5 eV

Yüksek alan emisyonu Alan emisyonlu tabancalarda, metal flamentten elektronları çekip çıkarmak için çok güçlü elektrik alan (109Vm-1) kullanılır Sıcaklık termiyonik emisyonlu kaynaklardan daha düşüktür Fakat kaynak parlaklığı (katı açı başına akım yoğunluğu) termiyonik emisyondan daha yüksek olup yüksek vakum gerektir

Fotoelektrik emisyon Bir malzemenin iş fonksiyonundan daha yüksek enerjili bir foton malzeme yüzeyine çarptığı zaman bir elektronun yayınlanmasına sebep olur. Emisyona sebep olacak maksimum foton dalga boyu  =1240/ burada  iş fonksiyonu olup  nanometre birimindedir. Fotondan gelen fazla enerji elektrona kinetik enerji olarak aktarılır. Gelen foton başına yayınlanan elektronların oranı kuantum verimliliği olarak adlandırılır. Kuantum verimliliği katodun ömrü boyunca azalacaktır: Kontamine olabilir veya hasarlanabilir Metaller için minimum foton enerjisi morötesi enerji aralığındadır(200nm buda 6 eV karşılık gelir, çoğu metallerde elektron koparmak için yeterlidir)

İyon kaynakları-İyon nedir? Elektrik yüklü atom ya da atom grubudur Bir atom ya da atom grubu bir veya daha fazla elektron kaybeder veya kazanırsa elektrik yükü kazanmış olur.

İyon kaynakları Basit bir iyon kaynağı için iyonize gaz olan plazmanın üretilmesi ve iyonların plazmadan çekilerek istenilen enerjiye hızlandırılması gereklidir Plazma iyon, elektron ve nötr atomun karışımından oluşur

İyon kaynakları Ortamdaki gaz atom yada moleküllerin elektronlar ile bombardıman edilmesi sonucu plazma meydana gelir. Ekstraktördeki elektrotlara uygulanan voltaj ile iyonlar hızlandırılarak, enerji kazandırılır ( Etoplam= qeV) Ekstraktörden ayrılan iyon demeti uygulamaların yapılacağı bölgeye gönderilir (Ekstraktör voltajı, E ekstraktör=V)

20Ne5+ ve 100 kV voltaj? Toplam çıkış enerjisi? Etoplam= qeV=5e100 kV=500 keV Nükleen başına enerji? Etoplam/nükleon sayısı= 500 keV/20=25.01 keV Ekstraktör voltaj? Eekstraktör= 100 kV

İyon kaynakları Ekstraktör geometrisi, iyon demetinin şeklini ve boyutunu belirlemekte önemlidir Küçük çaplı dairesel bir demet için, bir küçük delikli ekstraktör kullanmak uygun olacaktır Geniş bir demet için, bir çok delik(slit) bulunan ekstraktör kullanılır

İyon kaynakları Pozitif iyon kaynakları Yüksek akım iyon kaynaklar Çoklu-yüklenmiş iyon kaynaklar Çok-kutuplu sınırlanmış kaynaklar Oldukça yüklenmiş iyon kaynaklar Negatif iyon kaynakları Hacim yöntemi Yüzey yöntemi Yük alışveriş yöntemi

Pozitif İyon Üretimi Bir atom veya molekülden elektronun uzaklaştırılması gerekir. Başarılı bir iyonizasyon için atom veya moleküle minimum enerji(eşik enerjisi) transferi gereklidir. Birden fazla elektron, atom veya molekülden sökülebilir Pozitif iyon üretimi iyonizasyon enerjisini sağlayacak fotonlar ve elektronlar tarafından gerçekleştirilir

Flament İyon Kaynağı Plazmadaki nötr atom yada molekülleri iyonlaştırarak, plazmanın yoğunluğunu artıran en iyi yöntem Elektron üretmek için çok sıcak bir telden(flament) termiyonik yayılımı kullanılır Flamente -70 V uygulanması , iyonlaştırma için elektronun yeterince enerji kazanmasına sebep olur Bu kaynak iyonlaşma oranı gaz yoğunluğu ile orantılı olması istenilince tercih edilir Flamentin ömrü buharlaşma ve sputtering yüzünden sınırlıdır 1 mT basınçta, cm başına bir iyon üretmek için 300 elektron gereklidir Yüksek şiddette iyon demeti üretmek için uygun değil!!!

Flament İyon Kaynağı

Yüklü Parçacıkların Hapsedilmesi

Pening İyon Kaynağı Plazma hapsetmesi için dipol alanın bir uygulaması Anod eksenine paralel manyetik alanda bir silindir anot ve iki katot bloktan oluşur Katottan yayınlanan elektronlar B-çizgilerini takip ederek diğer katota gider ve oradan yansıtılır Bu şekilde elektronlar iki katot arasında titreşerek elektron akım yoğunluğunu yükselterek yüksek verimlilik sağlarlar. İyonların çıkışı eksen boyunca ya katoda açılan bir delikten yada çap boyunca anottaki bir kesikten sağlanır. Katotların sputteringi yüzünden ömrü sınırlı, özellikle yüksek yüklü parçacıklar için

Multicusp İyon Kaynağı Füsyon için geliştirilmiştir Multicusp alanlar düzenli magnetler tarafından üretilmiş Manyetil alan duvarlardan uzaklaştıkça azalır, merkezde sıfır Duvarlardaki güçlü manyetik alan iyonların tekrar merkeze gönderilmesini sağlar Elektronlar, termiyonik yayılım ile bir flament tarafından sağlanır Odanın duvarları anot görevi yapar Flamentin ömrü sputtering yüzünden sınırlı!!!!!

Sputter(püskürme)- iyon kaynağı katili???? Elekronların hızlanıp tekrar iyonlaşma meydana getirmesi için elektrik alan gerekli Aynı elektrik alan iyonlarıda etkiler, bu sebeple iyonlar hızlanarak elektrotlara çarpar ve eletrotlardan atomları püskürtebilir(sputtering) Sputtering flamentlerin incelmesini , dolayısıyla kırılmasına sebep olabilir Yani Sputtering malzemelerin ömrünü kısaltır Azatılması gerekir

Ne yapılabilir? Flament yerine anten dizayn edilir Antene RF kaynağı ile akım sağlanır Bu akım aynı zamanda dairesel E alan üretir Bükülen E alan antenin ortasında yoğunlaşır Bu alan sayesinde iyonlar açısal yönde hızlanır

RF ile beslenen multicusp iyon kaynakları Alternatif akım ile dairesel E alan üretilir İyon kaynağının ömrü uzatılır iyon yoğunluğunu artırmak, elektrik alanı artırmaya, elektrik alanı artırmakta anten akımı artırmaya bağlı

Negatif İyon üretimi Tabakalarında elektron boşluğu bulunan bazı atomlar extra bir elektronu çeker ve negatif net yüklü kararlı izotop meydana getirir Kararlılık elektron bağlanma enerjisi veya elektron yatkınlığı ile ifade edilebilir Elektron yatkınlığı, iyonizasyon enerjilerinden daha küçüktür

Hacim yöntemi Elektron doğrudan atoma bağlanır , enerji fazlalığı gama ışını olarak yayınlanır(Tesir kesiti küçük!!!) Enerji fazlalığı üçüncü parçacığa aktarılır Sıcak elektronlar molekülleri titreşimle uyarır Uyarılmış molekül ve soğuk elektronlar arasında çözülmeli bağlanma olur

Yüzey yöntemi Metaller zayıf bağlı iletim elektronlarına sahiptirler. Ancak yüzeyden bir elektron koparabilmek için yaklaşık 4,5 – 6 eV’luk enerji gerekir(iş fonksiyonu). Oda sıcaklığında sıvı bir metal olan Cs’un iş fonksiyonu ise yalnızca 2 eV kadardır. Bir metal yüzey üzerine yoğunlaştırıldığında, Cs, yüzeyin iş fonksiyonunu 1,4 – 1,8 eV civarına düşürür. Elektron yatkınlığı 2 eV’dan fazla olan atomlar Cs’daki elektronu kolayca yakalayarak negatif iyon meydana getirirler. 43

Yük alışverişi Pozitif iyon demetlerinin çift yük değişimi, negatif iyon üretiminden daha çok tutulan bir yöntem Yüksek akım gerektiren durumlarda kullanılmıyor Nötrleşme İyonlaşma

Magnetron İyon Kaynağı Plazmanın hapsedilmesi için selonoid alanın en basit şekilde uygulandığı kaynak 0.1 T büyüklüğünde bir alan iyon kaynağınınm dışına yerleştirilen solenoid ile sağlanır Katot bir termiyonik yayılım sağlayan flament iken, anot odacığın kendisidir Manyetik alana parelel yerleştirilen flament elektronların spiral yol çizmelerine sebep olur Flamentin ömrü sınırlıdır: Sputtering Yüksek manyetik alanada plazmada titreşime sebep olur

H- Magnetron Iyon Kaynağı J Alessi, BNL Surface Plasma Source Mo Cs Cathode (-) e- M Stockli, R Welton, SNS H H+ H2+ e- ~1 mm B Anode (+) H- e- 46

Multicusp Negatif İyon Kaynağı Pozitif iyon yüksek-akım kaynağı gibi görünür fakat H- olarak çalıştırıldığında su ile soğutmalı mıknatıs filtresi dahil edilir Bu filtre katottan çıkan ilk elektronların çıkış bölgesine girmesini önlemek için yeterince kuvvetli dir Çok yavaş elektronlarla birlikte pozitif ve negatif iyonların herikisi filtreden geçebilir Hacim prosesi ile yüksek verimlikli H- lu soğuk plazma oluşabilir.

Yüzey dönüştürme iyon kaynağı LBNL, tarafından geliştirilmiştir Cs un soğuk metal yüzeye yoğunlaştırılması sonucu , H- iyonlar oluşturulmuştur iyonlar negatif voltajda tutulan sezyum(Cs) ile kaplanmış bir metal yüzeyde oluşturulur. Flament plazma oluşturmak için kullanılır Küresel yüzey su ile soğutulur Bu yüzeye voltaj uygulayarak negatif iyonlar ortamdan çekilir Yüzey eletrotlarında Cs miktarı korunmalı Ortamdaki elektronların iyon akımına katkısını azatmak için dipol manyetik alan kullanılır

DESY-HERA

JPARC

SNS/LBNL

ORNL-SNS

ECR H- İyon Kaynağı

ECR İyon Kaynağı

Kaynaklar Ion sources, N. Angert, GSI, Darmstadt, Germany Ion and Electron sources, C.E. Hill, CERN, Geneva, Switzerland Electron and Ion sources for particle accelerators, R. Scrivens, CERN, Geneva, Switzerland Moehs et all. , IEEETransactions on plasma science, Vol. 33, No.6, 2005