Parçacık Hızlandırıcılarının Türk Fizik Derneği IX. Parçacık Hızlandırıcıları ve Dedektörleri Yaz Okulu UPHDYO-IX, 10-15 Eylül 2013, Bodrum Parçacık Hızlandırıcılarının Fiziği ve Tipleri Prof. Dr. Ömer Yavaş Ankara Üniversitesi Hızlandırıcı Teknolojileri Enstitüsü

I. UPHDYO (Ankara Üniversitesi, 2005)

Hızlandırıcı Kogreleri (UPHUK) ve Yaz Okulları (UPHDYO) 3 UPHUK Kongreleri: 2001, 2004, 2007, 2010, 2013 UPHDYO Yaz Okulları: 2005,2006,2007,2008,2009,2010,2011,2012,2013 UPHUK IV (Bodrum, 2010) UPHDYO VIII (Bodrum, 2012)

Parçacık Hızlandırıcıları ve Tipleri Yüklü parçacık demetlerinin (elektron, pozitron, proton…) oluşturulmasını ve belirli bir demet yapısı içinde elektrik alan (E) kuvveti ile hızlandırılmasını ve magnetik alan (B) kuvveti ile ise yönlendirilmesini ve odaklanmasını sağlayan cihazlardır. Parçacık Hızlandırıcılarının Tipleri: DC veya RF Doğrusal Hızlandırıcılar (LINear Accelerator, LINAC) Dairesel Hızlandırıcılar (Circular Accelerators) Betatron Mikrotron Siklotron Sinkrotron

How an accelerator works (from CERN Web page) Electric fields and radiofrequency cavities accelerate particles inside accelerators, while powerful magnets focus or steer the particle beams. Accelerators were invented in the 1930s to provide energetic particles to investigate the structure of the atomic nucleus. Since then, they have been used to investigate many aspects of particle physics. Their job is to speed up and increase the energy of a beam of particles by generating electric fields that accelerate the particles, and magnetic fields that steer and focus them. An accelerator comes either in the form of a ring (a circular accelerator), where a beam of particles travels repeatedly round a loop, or in a straight line (a linear accelerator), where the particle beam travels from one end to the other. At CERN a number of accelerators are joined together in sequence to reach successively higher energies.

Parçacık Hızlandırıcılarında Ana Donanımlar, Sistemler ve Önemli Kavramlar Ana Donanımlar ve Sistemler Parçacık kaynakları (termiyonik, RF gun…) Paketleyiciler RF kaviteler (Nc, Sc) RF güç kaynakları (Klaystron, IOT, SSA vb) Bükücü magnetler (dipol) Odaklayıcı magnetler (kuadropol) Düzenleyici magnetler (sextupol) Diyagnostik (teşhis) sistemleri Dedektör sistemleri Vakum sistemleri Kontrol sistemleri Radyasyon güvenliği sistemleri Demet durdurma sistemleri Önemli Kavramlar Demet yapısı (sürekli, kesikli) Demetin akımı (ortalama, pik) Paketçik yükü Mikro ve makro puls (atma) uzunluğu Demetin gücü Demet ömrü (lifetime) Enine demet dinamiği Boyuna demet dinamiği Demet kararlılığı Zayıf ve kuvvetli odaklama Işınlık (luminosite) Kütle merkezi enerjisi Demet enerjisi (E) keV- TeV Demet akımı (i) mikro A - kA Atma (puls) süresi Sürekli - ps Demet yaşam süreleri mikro s- haftalar

Parçacık Hızlandırıcılarında Enerji, Momentum ve Akım Enerji eletronvolt (eV) cinsinden tanımlanır: 1 eV =1.6×10^−19 J, 1 J = 10^7 erg Akım (Dairesel Hızlandırıclar): e yük, Z kütle numarası, N parçacık sayısı, f dolanım frekansı Akım (Doğrusal Hızlandırıcılar): Durgun kütle enerjisi Toplam göreli enerji Göreli momentum Göreli kinetik enerji Burada demet akısıdır.

UPHDYO-IX’da İlgili Bazı Dersler… L. Şahin: Parçacık Kaynakları İ.T.Çakır: Hızlandırıcı Fiziğine Giriş Ö. Mete: Enine Demet Dinamiği Aksoy: Boyuna Demet Dinamiği Ö. Karslı: Hızlandırıcılarda RF Güç Sistemleri E. Ganioğlu: Hızlandırıcılarda Magnet Sistemleri Alaçakır: Demet Teşhis Yöntemleri E. Recepoğlu: Siklotron ve Uygulamaları

Einstein (1905) ve Rutherford (1911) Albert Einstein ve Parçacık Hızlandırıcıları (1905) Rölativite: Rölativistik parçacıklar ve demetler... Fotoelektrik Olay: Parçacık kaynakları... Brown hareketi: Demetlerin yayınımı (emittans) Kütle-Enerji Eşdeğeri: Yeni parçacıkların kütle limitleri.. (E=mc2 ) Rutherford Saçılma Deneyi (1911) İnce altın levhayı radyoaktif atomların yayınladıkları alfa ışınlarıyla bombardımana tabii tutan Lord Ernest Rutherford gözlemlerine ve deneylerinin sonuçlarına dayanarak ATOMUN YAPISINI elektronların pozitif yüklü bir çekirdeğin etrafında elektriksel çekim kuvvetinin etkisi ile dolanmakta olduğu dinamik bir model olarak açıkladı. (Doğru Atom Modeli…)

Parçacık Hızlandırıclarının Geçmişi 10 1907 Schottky: Atomik Spektrum ve Sinkrotron Teorisi . 1909 Milikan: Elektronun yükü 1913 Frank-Hertz: Atomların uyarılması ve enerji düzeyleri 1920 Greinaker: İlk kafes (cascade) jeneratörü 1922 Wideroe: İlk RF Linak 1928 Van de Graff: İlk yüksek gerilim jeneratörünün yapılması. 1932 Lawrence: İlk Siklotron 1941 Kerst,: İlk Betatron 1941 Touschek: Depolama halkası formülasyonu 1945 Blewett: İlk Sinkrotron ışınımı 1947 Alvarez: İlk Proton Linakı 1951 Motz: İlk Wiggler magnet 1954 R.R. Wilson: 1.1. GeV’lik elektron sinkrotronu 1954 : CERN’ün Kuruluşu 1959: 28 GeV’lik CERN Proton Sinkrotronunun çalışması A. Einstein (1879-1955)

Hızlandırıcıların Yeri 11

Elektromagnetik spektrum ve Parçacık Hızlandırıcıları 12 Çarpıştırıcılar Sinkrotron ışınımı

Parçacık Hızlandırıcılarının Tipleri Yüksek Gerilim Hızlandırıcıları ( High Voltage Accelerators ) Parçacıklar, oluşturulan DC potansiyel farkını bir kez geçerek hızlanırlar İndüksiyon Hızlandırıcıları ( Induction Accelerators ) Parçacıklar, şiddeti zamanla değişen manyetik alan tarafından indüklenen elektrik alan ile hızlandırılırlar. Doğrusal veya dairesel olabilirler. Lineer Hızlandırıcılar ( Linear Accelerators ) Parçacıklar, doğrusal olarak sıralanmış enerji kazanım bölgeleri olan RF kaviteleri gereçerek hızlanırlar. Dairesel Hızlandırıcılar ( Circular Accelerators ) Parçacıklar, eğici (dipol) magnetler aracılığı ile tutuldukları kapalı bir yörüngede RF alanlar sayesinde hızlandırılırlar. E=q

Dairesel Hızlandırıcıların Çeşitleri Betatron: Hafif parçacıklar için kullanılan sabit yarıçaplı dairesel indüksiyon hızlandırıcıdır. Mikrotron ( Microtron ) Parçacık demetini yörüngenin tek noktasına uygulanan RF alandan defalarca geçirilerek hızlandırıldığı dairesel hızlandırıcıdır. Siklotron ( Cyclotron ) Proton veya ağır iyonların sinüsel RF alan sayesinde dairesel magnetler arsında spiral yörüngeler üzerinde hızlandıran dairesel hızlandırıcıdır. Sinkrotron ( Synchrotron ) Parçacıkların, sabit R yarıçaplı yörüngede tutulduğu ve RF alanlarla hızlandırıldığı dairesel hızlandırıcıdır. ESRF, France

Doğrusal Hızlandırıcılar Yüksek Gerilim (DC) Doğrusal Hızlandırıcılar: e- K= q E

Doğrusal Hızlandırıcılar Cockcroft-Walton (Cascade) Jeneratörleri: Kafes jeneratörlerin çalışması; bir sığanın levhaları arasındaki potansiyel farkını, gerilim çoğaltıcı devre ile istenilen düzeye çıkarma ilkesine dayanır. Bu şekilde düzenlenen 2N tane kapasitör ile, yükleme gerilimi N katına çıkarılabilir. Sonuç olarak, anahtarlama nedeni ile atmalı demet elde edilmektedir. Bu metoda dayanarak Cockcroft ve Walton, uygun yüksek gerilim teknikleri geliştirmiş ve birkaç milyon voltluk gerilimlere ulaşan yüksek enerjili parçacık hızlandırıcıları inşa etmişlerdir.

Doğrusal Hızlandırıcılar Van de Graff Jeneratörleri: Bir hidrojen iyonu, Van de Graff jeneratörü kullanılarak hızlandırılırsa: q = 2e  

Doğrusal Hızlandırıcılar RF Linaklar (Wideroe): Doğrusal hızlandırıcıların çalışma prensibi, salınımlı alanlara ve sürüklenme tüplerine dayanır. Bu metoda göre parçacıklar RF alanın periyodik olarak uygulanması ile hızlandırılır. Wideroe, bu tür bir hızlandırıcı ile potasyum iyonlarını 50 keV’ ye kadar hızlandırmıştır (1928, İlk RF Linak, 7 MHz) RF alan bölgeleri arasından sürüklenme tüpleri mevcuttur. Sürüklenme tüplerinin boyları: Burada; v parçacığın hızı, T ise RF alanın periyodudur (RF frekansının tersi) 1.3 GHz Sc TESLA RF Kavite (2000, DESY, Germany) Etkin hızlanma için parçacık hızı ile alanın faz hızı aynı mertebede olmalıdır.

Dairesel Hızlandırıcılar DESY (Almanya) Hızlandırıcı Merkezi (DORIS+PETRA+HERA) CERN Hızlandırıcıları (PS+SPS+LHC) Fermilab (USA) TEVATRON

Dairesel Hızlandırıcılar Betatron: İndüksiyon hızlandırıcısı, E alanı indüsiyon ile elde edilir. Kerst Betatronu: R= 1.23 m B= 8.1 kG İlk Betatron (Kerst, 1943)

Dairesel Hızlandırıcılar Mikrotron: Parçacıklar rölativistik enerjilere ulaşırken, eşzamanlılık da bozulmaktadır. Hızlandırmada sürekliliği korumak için bazı özel şartlar sağlanmalıdır. Kaviteden n. geçişini yapan bir parçacığın hızlandırmadan dolayı enerjisi artar. ( n+1 ). tur ve n. tur için dolanım süreleri karşılaştırıldığında fark enerjideki değişim ile orantılıdır. Dolanım zamanındaki artış RF frekansın periyodunun tam katı olmalıdır. Mikrotronu fonksiyonel hale getirmek için ulaşılması gereken enerjiler aşağıdaki gibidir.   Protonlar için: Elektronlar için: Mikrotron elektronları hızlandırmak için çok daha uygun bir hızlandırıcıdır.

Dairesel Hızlandırıcılar Siklotron: Proton gibi daha ağır parçacıkların başarılı bir şekilde hızlandırılmasında, mikrotronun eşzamanlılık şartının çok katı olduğu, 1930 yılında Lawrence ve Edlefsen tarafından siklotron prensibinin araştırmaları sırasında fark edilerek ispatlanmıştır. Siklotron ilk olarak, Lawrence ve Livingston tarafından 1932 yılında inşa edilmiştir TAEK proton siklotronu (30 MeV, 2012) Gelişmiş tipleri: Sinkro-siklotron İsokron-siklotron (~500 MeV) Proton demeti için:

Dairesel Hızlandırıcılar Sinkrotron: Siklotron prensibinde, magnet ağırlıkları ve maliyetleri büyük olacağından maksimum parçacık enerjisi birkaç yüz MeV mertebesinde kalmıştır. Daha yüksek enerjilere, yörünge yarıçapı R sabit tutularak ulaşılabilmektedir. Bu durumda, artık tek bir magnete ihtiyaç kalmamıştır ve parçacık yörüngesi boyunca küçük magnetler kullanılabilmektedir. Yörünge yarıçapı sabit olduğunda tasarım şartı: Eşzamanlılık koşulu: RF frekansının dolanım frekansına oranı (harmonik sayısı, h): Sinkrotronda ulaşılacak maksimum enerji: Cp= e = 0.02997926 GeV / kGm

Dairesel Hızlandırıcılar Sinkrotron: Birbirinden bağımsız olarak Chrisofilos ve Courant tarafından 1952’ de güçlü odaklamanın keşfiyle daha verimli sinkrotronlar yapılmıştır. Sinkrotronlar protonları ve iyonları olduğu gibi elektronları da yüksek enerjilere kadar hızlandırmaktadır. Günümüzde büyük ölçekli siknrotronlarda süperiletken magnetlerin de kullanılması ile TeV (1000 GeV) mertebesinde enerjilere ulaşılabilmektedir CERN LEP: 95 GeV elektron demeti CERN SPS: 450 GeV proton DESY HERA: 920 GeV proton Fermilab TEVATRON: 1000 GeV proton CERN LHC: 7000 GeV proton (C=27 km, B=8 Tesla)

Parçacık Hızlandırıcıları ve Tipleri Depolama Halkası: Demet enerjisi sabit olarak korunan dairesel hızlandırıcı (sinkrotron). Her sinkrotron ışınımı tesisi bir depolama halkası bulundurur. Bu genel olarak sabit enerjili bir sinkrotrondur. Bilgi: Örneğin Türk Hızlandırıcı Merkezi Sinkrotron Işınımı tesisi (TAC SR) 546 m çevreli ve 3 GeV enerjili bir elektron sikrotronuna (depolama halkasına) dayanacak. DORIS-III HASYLAB, DESY, Germany, 4.45 GeV TAC SR Facility, 3 GeV

Ö. Yavaş, UPHDYO-IX, Bodrum

Siklotron ve Sinkrotronların Karşılaştırılması

Hızlandırıcı Teknolojileri Neden Jenerik Teknoloji? 29 Metal ve yüzey işleme sistem ve teknolojileri Isıtma ve Soğutma (He, su, azot v.b.) sistem ve teknolojileri Parçacık üretimi sistem ve teknolojileri Magnet sistem ve teknolojileri Vakum sistem ve teknolojileri RF kavite ve güç sistem ve teknolojileri Kontrol sistem ve teknolojileri Radyasyon güvenliği (kişi, ortam ve makine) sistem ve teknolojileri Optik sistem ve teknolojileri Kablolama sistem ve teknolojileri Dedektör ve veri alınması sistem ve teknolojileri Veri iletimi ve işletimi sistem ve teknolojileri

Hızlandırıcıların Uygulamaları (~30.000 hızlandırıcı) Parçacık Fiziği Nükleer Fizik İkincil Demetler Nötron Kaynağı Sinkrotron Işınımı Serbest Elektron Lazeri İyon İmplantasyonu Radyoterapi Nükleer Tıp Malzeme Bilimi Yarı İletkenler Nanoteknoloji Biyoteknoloji Genetik Arkeoloji Ulusal Güvenlik Gıda Güvenliği Madencilik Enerji Üretimi

Hızlandırıcıya dayalı ışınım kaynakları 31 Hücre çekirdeği

Prof. Dr. Engin Arık (2006) (1948-2007) Türkiye’nin önce şunu benimsemesi lazım: Bir ülke Bilim ve Teknolojisini kendi geliştirmeden, kendi üretmeden, ne ekonomik ne sosyal ilerlemesine imkan yok! Kopyalayarak hiçbir ülke ileri ülkeler safhasına geçmemiştir… Bilim şehitlerimizi saygıyla ve rahmetle anıyoruz…

Duyuru VIII. International Accelerator School on Linear Collider 34 VIII. International Accelerator School on Linear Collider http://thm.ankara.edu.tr/lcs2013 Son başvuru tarihi: 25 Eylül 2013  

Kaynaklar An Introduction to The Physics of High Energy Accelerators D. A. EDWARDS M. J. SYPHERS ( 1993 ) An Introduction to Particle Accelerators EDMUND WILSON ( 2001 ) Particle Accelerator Physics Basic Principles and Linear Beam Dynamics HELMUT WIEDEMANN ( I. Baskı: 1993, II. Baskı: 2007 ) Parçacık Hızlandırıcıları Ders Notları Ö. YAVAŞ (Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Bölümü, 2009) İlk 8 UPHDYO Ders Notları: http://thm.ankara.edu.tr İlk 4 UPHUK Bildirileri: http://thm.ankara.edu.tr

Bodrum Belediye Başkanlığına TFD Başkanlığına 36 Bodrum Belediye Başkanlığına TFD Başkanlığına Düzenleme Kurulu üyelerine Danışma Kurulu üyelerine Bilim Kurulu üyelerine ve Değerli katılımcılara teşekkür ediyorum.