HIZLANDIRICI FZ brahim Krat SIRAMAZ Fizik retmeni 1

HIZLANDIRICI FİZİĞİ İbrahim Kürşat SIÇRAMAZ Fizik Öğretmeni 1

Hızlandırıcı nedir, ne için kullanılır ? �Yapısı, yönü ve enerjisi kesinlikle bilinen parçacıkları yüksek (Işık hızına yakın ) hızlara çıkararak , benzeri özellikteki parçacıklarla çarpıştırarak evreni anlamamıza yardımcı olan, yeni parçacık elde etmekte, sanat eserlerinin tarihlerini belirlemekte, çok küçük delikli filtreleri üretmede veya yüzeyi işlemekte, hekimlikte, tümörlerin tedavisinde vb. kullanılan araçlardır. 2

Hızlandırıcı Çeşitleri q �Elektrostatik Hızlandırıcılar Cockroft Walton Hızlandırıcısı Van de Graaff Hızlandırıcısı �Radyo Frekansı Hızlandırıcılar Doğrusal Hızlandırıcılar Dairesel Hızlandırıcılar 3

HATIRLATMA ! Elektrik Alan Kendisinden d kadar uzakta bulunan +1 coulomb’luk yüke etkiyen kuvvet olarak tanımlanır. 4

Elektrik Alan 5

Elektrostatik Hızlandırıcılar � En basit hızlandırma yöntemi: Paralel Levha � ΔE=q. ΔV � e. V: bir elektronun yüküne sahip bir parçacığın 1 V luk gerilimde hızlandığında kazandığı kinetik enerji. Paralel levhalardan oluşturulmuş parçacık hızlandırıcısı. 6

Elektrostatik Hızlandırıcılar � En basit hızlandırma yöntemi: Paralel Levha � ΔE=q. ΔV � e. V: bir elektronun yüküne sahip bir parçacığın 1 V luk gerilimde hızlandığında kazandığı kinetik enerji. � Parçacıkları yüksek enerjilere çıkarabilmek için yüksek gerilim verebilen bir üreteç kullanılmalıdır. Paralel levhalardan oluşturulmuş parçacık hızlandırıcısı. Yüksek gerilim Yüksek enerjili parçacı k 7

Elektrostatik Hızlandırıcılar � En basit hızlandırma yöntemi: Paralel Levha � ΔE=q. ΔV � e. V: bir elektronun yüküne sahip bir parçacığın 1 V luk gerilimde hızlandığında kazandığı kinetik enerji. � Parçacıkları yüksek enerjilere çıkarabilmek için yüksek gerilim verebilen bir üreteç kullanılmalıdır. Paralel levhalardan oluşturulmuş parçacık hızlandırıcısı. Yüksek gerilim Yüksek enerjili parçacık Elektriksel boşalma 8

ÇÖZÜM ? V x n Çözüm: Yüksek gerilime sahip tek kaynak yerine daha düşük gerilime sahip daha fazla kaynak kullanmak. 10

LHC’yi doğru akıma sahip standart piller ile çalıştırmak istesek yeterli gerilimi oluşturmak için kaç pil gerekirdi. n=? 11

LHC’yi doğru akıma sahip standart piller ile çalıştırmak istesek yeterli gerilimi oluşturmak için kaç pil gerekirdi. n=? 5. 000 12

Hızlandırıcımın Uzunluğu ? A d B d= ? 13

Hızlandırıcımın Uzunluğu ? d A B d= ? 1 km ? 10 km ? …… km ? 100 km ? 14

Hızlandırıcımın Uzunluğu ? d= 724, 2048 km 15

d= Daha yüksek potansiyele sahip üreteç kullansaydım kaç tane gerekirdi ? n = 30 Milyar 16

Cockroft-Walton Hızlandırıcısı 1911 yılında atom çekirdeğinin keşfinden sonra, Ernest Rutherford, hızlandırılmış parçacıklar ile atom çekirdeğinin parçalanabileceğini düşünüyordu. 1928 yılında Rutherford’un iki öğrencisi John D. Cockroft ve Ernest T. S. Walton, Rutherford’un desteği ile, proton hızlandırmada kullanılmak üzere 800 k. V’luk bir üreteç tasarlamaya başladılar. John. Cockroft ve Erntest Walton, ürettikleri elektrostatik hızlandırıcı ile 1932 yılında protonları 400 ke. V enerjiye kadar hızlandırıp bir lityum tabakasına vurdurdular. Hızlandırılmış protonlar lityum atomunun çekirdeğini parçalayarak iki helyum atomu çekirdeği meydana getirdi. Bu deney, yapay olarak, bir atom çekirdeğinin parçalandığı ilk deneydir. 17

Cockroft-Walton jeneratörü Proton kaynağı R R Enerji limiti yaklaşık 1, 5 Me. V Hedef 18

Cockroft-Walton jeneratörü 19

Van de Graaff Hızlandırıcısı 1931 yılında Amerikalı fizikçi Robert J. Van de Graaff yüksek potansiyel üretebilecek bir sistem geliştirdi. Sekilde görülen bu sistem, bir elektrik motoru tarafından hareket ettirilen kayış sayesinde elektrik yüklerinin bir küre üzerinde biriktirilmesi prensibine dayanmaktadır. Elektrik yükleri, doğru akım kaynağına bağlanarak yüklenen bir fırça sayesinde hareket eden kemerin üzerine bırakılır ve kemer üzerinde küreye taşınır. Toplayıcı fırça sayesinde bu yükler iletken küre üzerine aktarılır. Küre üzerinde biriktirilen yüklerin çeşidi (pozitif veya negatif) yüklü fırçanın akım kaynağının hangi kutbuna bağlandığına göre değişir. Küre üzerine biriken yük miktarı arttıkça kürenin potansiyeli de artmış olur. Van de Graaff jeneratörü ile 20 MV’tan daha yüksek potansiyel değerlerine çıkılmıştır. Yüksek potansiyel değerlerinde, elektriksel boşalmayı engellemek için, Van de Graff jeneratörünün yüksek potansiyel taşıyanmetal kısımları gaz malzemeler kullanılarak yalıtılmaktadır. Van de Graff jenaratörü, Cockroft-Walton hızlandırıcısında olduğu gibi, bir dizi elektrottan oluşmuş bir hızlandırma tüpüne bağlanarak yüklü parçacıkları hızlandırmada kullanılabilir. 20

Doğrusal Hızlandırıcılar 21

DOĞRUSAL HIZLANDIRICILAR Doğrusal hızlandırıcılar, İngilizce’de kısaca linac (linear accelerator kelimelerinden türetilmiştir) olarak adlandırılır ve bu terim sadece alternatif akım ile çalışan doğrusal hızlandırıcılar için kullanılır. Wideroe doğrusal hızlandırıcısı : Wideroe doğrusal hızlandırıcısının şematik gösterimi İki ardışık sürüklenme tüpü alternatif akım kaynağının farklı kutuplarına bağlandığından iki ardışık sürüklenme tüpü zıt elektrik yükleri ile yüklenir ve iki sürüklenme tüpü arasında kalan boşlukta (hızlanma boşluğu) elektrik alan oluşur. 22

Wideroe doğrusal hızlandırıcısı : Sürüklenme tüplerinin içinde elektrik alan oluşmaz bu sebeple parçacıklar sürüklenme tüplerinin içinden geçerken sabit hızda hareket ederler. Alternatif akım kaynağı kullanıldığından her tüpün üzerindeki elektrik yükü kaynağın periyodunun (T) yarısı kadar bir zamanda işaret değiştirir. Bu sebeple bir hızlanma boşluğundaki elektrik alan da her T/2 sürede yön değiştirir. 25 k. V luk üreteç kullanarak ağır iyonları 50 ke. V e kadar hızlandırdı. f= 1 MHz 23

24

25

26

Bir hızlanma boşluğundan sonra parçacığın hızı Vn ise ondan sonra gelecek sürüklenme tüpünün uzunluğu olmalıdır. 27

Wideroe doğrusal hızlandırıcısı : Elektron gibi hafif parçacıkların hızları ağır iyonlara göre çok çabuk artar. Wideroe’nin hızlandırıcısında hafif parçacıklar hızlandırılırsa es zamanlılığı sağlamak için çok uzun sürüklenme tüplerine ihtiyaç duyulacağından, Wideroe’nin hızlandırıcısı hafif parçacıkları hızlandırmak için pratik değildir. Wideroe doğrusal hızlandırıcısının sürüklenme tüplerinin boyunu dolayısıyla hızlandırıcının boyunu kısaltmak için yüksek frekanslı (düşük periyotlu) üreteçler kullanmak gerekmektedir. 1930’lu yıllarda radarlarda kullanılmak üzere yüksek frekanslı RF üreteçleri geliştirildi. Fakat, Wideroe doğrusal hızlandırıcısında RF üreteci kablo ile sürüklenme tüplerine bağlı olduğundan yüksek frekanslarda (10 MHz den büyük frekanslarda) bu yapı anten özelliği göstermektedir. Böyle bir yapı RF üretecinden aldığı gücü elektromanyetik dalga olarak etrafa yayacağından parçacıkları yüksek enerjilere çıkarmak için verimli değildir. 28

Wideroe doğrusal hızlandırıcısı : 29

Radyo Frekansı Hızlandırıcılar Elektrostatik hızlandırıcılar ile parçacıkların ulaşabileceği en yüksek enerji, üretecin potansiyeli ile sınırlıdır. Bu kısıtlama hızlandırma işlemi için alternatif akım kullanılarak asılabilir. Alternatif akım kullanan hızlandırıcılarda parçacıkların ulaşabileceği en yüksek enerji kullanılan alternatif akım kaynağının potansiyelinden çok hızlandırıcının boyutlarına bağlıdır. Yaklaşık olarak, 3 k. Hz ile 300 GHz arasında kalan salınım frekansı Radyo Frekansı (RF) olarak adlandırılır. Bu aralıkta sanınım yapan bir alternatif akım üreteci kullanan hızlandırıcılara da RF hızlandırıcılar olarak adlandırılır. Hızlandırıcılarda alternatif akım kullanma fikri ilk defa 1924 yılında Isveç’li fizikçi Gustaf Ising tarafından ortaya sürdü. 1927’de, Norveç’li fizikçi Rolf Wideroe bu fikri geliştirdi ve 1928 yılında bir hızlandırıcı üretti. Wideroe, ürettigi bu doğrusal hızlandırıcıyla 25 k. V’luk güç kaynağı kullanarak pozitif iyonları 50 ke. V’a kadar hızlandırdı. Günümüze kadar birçok çeşit RF hızlandırıcısı geliştirilmiş ve üretilmiştir. RF hızlandırıcılarını doğrusal hızlandırıcılar ve dairesel hızlandırıcılar olarak iki grupta inceleyebiliriz. 30

Alvarez sürüklenme tüplü dogrusal hızlandırıcı (DTL: Drift Tube Linac) 1947 yılında Amerikalı fizikçi Luis Alvarez yüksek frekanslarda parçacıkları hızlandırabilecek bir sistem geliştirdi Ve DTL: Drift Tube Linac olarak adlandırılan yapıyı üretti. Alvarez’in ürettiği doğrusal hızlandırıcı 200 MHz frekansta çalışan bir proton hızlandırıcısıydı. Bu yapı günümüzde de proton hızlandırıcılarında yaklaşık 3 -100 Me. V enerji aralığında kullanılmaktadır. 1948 da Amerikalı bilim adamı Luis W. Alvarez, hızlandırma işlemi için, sürüklenme tüplerini bir iletken tankın içine koyup tankın içine elektromanyetik dalga göndererek elektrik alan indükleme firkrini geliştirdi (Alvarez drift tube linac- DTL). 31

DTL nasıl çalışır ? DTL’in çalışma prensibi iletken silindirik bir kovuk içerisine gönderilen elektromanyetik dalganın kovuk içerisinde elektrik alan oluşturması ve bu elektrik alanın belirli bir frekansta salınım yapması prensibine dayanmaktadır. Şekilde görülebileceği gibi DTL içerisine sürüklenme tüpleri yerleştirilmiş iletken bir silindirik kovuktan meydana gelmektedir. Kovuk içerisine RF üretecinden gelen elektromanyetik dalga gönderildiğinde, silindir eksenine paralel yönde elektrik alan oluşmaktadır. • İletkenlerin içinde elektrik alan sıfırdır!!! • Elektrik alan ters yöne döndüğünde parçacıklar sürüklenme tüplerinin içindeler. • Sürüklenme tüpleri parçacıkları yavaşlatıcı elektrik alandan koruyor. • RF güç kaynağı sürüklenme tüplerine bağlı değil 32

Dairesel Hızlandırıcılar 33

Dairesel Hızlandırıcılar Dairesel hızlandırıcılar isimlerinden de anlaşılabileceği gibi daire şeklindedirler. Gününüzde en çok kullanılan dairesel hızlandırıcı tipleri döndürgeç (cyclotron)ve Eşzamanlayıcıdır (synchrotron). Döndürgeç (cyclotron) Eşzamanlayıcı (synchrotron). 34

Döndürgeç (cyclotron) Döndürgeçin çalımsa prensibinin temelinde, manyetik alanda dairesel hareket yapmakta olan yüklü bir parçacığın hızının değişmesine rağmen dönme frekansının sabit kalması vardır (düşük hızlar için geçerlidir). Döndürgeçte bir RF üreteci ’D’ seklinde içi bos metal elektrotlara bağlanmıştır. Bu sayede iki elektrot arasında elektrik alan oluşturulur. Oluşan elektrik alan RF üretecinin frekansına eşit bir frekansta salınım yapar. D-plakalar iki kutuplu bir elektromıknatısın içine yerleştirilir ve bu sayede parçacıkların hareket yönüne dik yönde bir manyetik alan elde edilir. Bütün sistem bir manyetik alan içerisindedir. Parçacıklar elektrik alan sayesinde hızlanır, manyetik alan sayesinde dairesel hareket yaparlar. Döndürgeçte parçacıkların hızı, parçacıklar D-plakaların arasından her geçtiklerindearttığından, parçacıklar, dairesel bir yörüngede hareket etmek yerine spiral bir yörünge izlerler. 35

Döndürgeçte eşzamanlılık sorun teşkil eder mi ? , Düşük hızlarda parçacıkların hızı artsa bile dönme frekansı değişmeyeceğinden parçacıklar ve elektrik alan arasındaki eşzamanlılık korunur. Fakat, parçacıklar ışık hızına yakın hızlara çıktığında hız artıkça dönme frekansı azalır. Bu sebeple yüksek hızlara çıkıldığında, parçacıklar ve elektrik alan arasındaki eşzamanlılığın korunması için, RF üretecinin frekansı da azaltılmalıdır. 36

Döndürgeç (cyclotron) örnekleri. Ernest Lawrence ve öğrencisi M. Stanley Livingston tarafından geliştirildi Kanser tedavisinde kullanılan bir döndürgeç. 37

Eşzamanlayıcı (synchrotron). Parçacıkları manyetik alan sayesinde bir dairesel yörüngede hareket ettirme prensibine dayanır. Parçacıklar demet borusu olarak adlandırılan vakumlanmış metal bir boru içerisinde hareket ederler. (Üç bileşenden oluşur. ) RF kovukları: içerisinde parçacıklar elektrik alan sayesinde hızlandırılırlar. Parçacıklar eşzamaşlayıcı etrafında her turda RF kovuğunda tekrar hızlandırılır. Böylece aynı RF kovuğu parçacıkları birçok kez hızlandırmak için kullanılabilir. Parçacıklar RF kovuğuna ulaştıklarında RF kovuğu içerisindeki elektrik alan parçacıkları hızlandıracak yönde olmalıdır, bu sebeple eşzamanlayıcılarda RF elektrik alanı ve parçacıklar arasındaki eşzamanlılık çok büyük önem taşır. 38

Bükücü ( dipol) mıknatıslar N S Bükücü mıknatıs ve demet borusu. Bükücü mıknatıslar, iki kutuplu (dipol) mıknatıslar olarak da adlandırılırlar. Bükücü mıknatısların içerisinde parçacıkların hareket yönüne dik yönde bir manyetik alan oluşturularak parçacıkların sapması sağlanır. Bükücü mıknatıslar genelde eszamanlayıcının çevresine eşit aralıklarla yerleştirilirler. Eşzamanlayıcıda kullanılan bükücü mıknatıs sayısına göre, mıknatısların içerisinde oluşturulan manyetik alanın kuvveti ayarlanır ve parçacıkların eszamanlayıcı etrafında 360 derecelik bir dönüş yapması sağlanır. Parçacıklar her turda RF kovuklarında hızlandırıldıklarından parçacıkları aynı yarıçaplı yörüngede hareket ettirmek için bükücü mıknatısların manyetik alanlarının da arttırılması gerekmektedir. Bu sebeple parçacık hızlandırıcılarında kullanılan bükücü mıknatıslar elektromıknatıstır. 39

Odaklayıcı (quadrupole )mıknatıslar. Parçacık hızlandırıcılarında demet, hızlandırma işlemi için paketler haline getirilir. Bu paketler bohça olarak adlandırılırlar. Bir bohça içerisinde aynı yüke sahip birçok parçacık olduğu için parçacıklar birbirlerine iterler ve demet hareket yönüne dik eksenlerde açılmaya baslar. Bu büyüme devam ederse parçacıklar bir süre sonra demet borusuna çarpmaya başlarlar. Parçacıkları demet borusunun merkezinde tutmak ve demetin dikine eksenlerdeki boyutunu kontrol etmek için odaklayıcı mıknatıslar (dört kutuplu mıknatıslar) kullanılır. 40

Odaklayıcı (quadrupole )mıknatıslar. Dört kutuplu mıknatıslar, ince kenarlı bir merceğin ışığı odakladığı gibi yüklü parçacıkları odaklarlar veya kalın kenarlı bir merceğin ışığı odakladığı gibi yüklü parçacıkları odaklarlar. Parçacık demeti (Bohça) 41

Odaklayıcı (quadrupole )mıknatıslar. Bu mıknatısların tek farkı birinin diğerine göre demet borusu etrafında 90 derece döndürülmüş olmasıdır. Bir odaklayıcı mıknatıs demeti aynı anda hem dikey hem de yatay eksende odaklayamaz. 42

Odaklayıcı (quadrupole )mıknatıslar. Bu iki mıknatıs arkaya konulduklarında, aralarındaki mesafe mıknatısın odak uzaklığından kısa olduğunda, bir dört kutuplu mıknatıs çiftinin demete yaptığı etki hem dikey eksende hem de yatay eksende odaklayıcıdır. Dört kutuplu (quadropole ) tek bir mıknatıs 43

Odaklayıcı (quadrupole )mıknatıslar. Günümüze kadar inşa edilmiş en büyük ve en güçlü eszamanlayıcı ve hızlandırıcı CERN’de bulunan Büyük. Hadron Çarpıştırıcısı’dır ( LHC ) 44

Eşzamanlayıcı ve hızlandırıcıya Birkaç örnek. SPRING-8 Yer : Harima Science Garden City Hyogo, Japonya Enerji : 8 Ge. V Çevresi: 1436 m Elektron paketlerinin kinetik enerjisini 8 Ge. V kadar çıkarmaktadır. Bu hızda oluşan synchotron ışıması ile nanoteknoloji biyoteknoloji ve endüstri alanında araştırmalar yapılmaktadır. 45

Eşzamanlayıcı ve hızlandırıcıya Birkaç örnek. APS Yer : Argonne, USA Enerji : 7 Ge. V Çevresi : 1104 m Doğrusal bir hızlandırıcıdan çıkan elektronlar, yarış pisti şeklinde bir elektromıknatıs halkası olan synchrotrona sürülür ve bir buçuk saniyede 450 Me. V lik enerjiden 7 milyar elektron voltluk (7 Ge. V) lik enerjiye sahip olacak şekilde hızlandırılır. Elektronlar bu anda ışık hızının % 99. 999999 a ulaşmış olurlar. Tesis X ışını üretmekte kullanılır. 46

Eşzamanlayıcı ve hızlandırıcıya Birkaç örnek. CERN Yer : Cenevre, İSVİÇRE Enerji : 14 Te. V Çevresi : 27 Km Hidrojen kaynağından elde edilen protonlar, bir dizi doğrusal ve dairesel hızlandırıcıda hızlandırıldıktan sonra, Büyük Hadron Çarpıştırıcısı’nda (LHC) ışık hızının % 99. 999999 ulaşırlar(ışık hızından sadece 11 km yavaş). Zıt yönde hızlandırılan protonlar çarpıştırılarak geçmişten günümüze evrene ve atom altı dünyaya ışık tutar. 47

48