Hizlandırıcıların Kullanım Alanları I (Pervin Arıkan, Gazi Üniversitesi)

V. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Dedektörleri Yaz Okulu
29 Ağustos-3 Eylül 2009 Bodrum
HIZLANDIRICILARIN KULLANIM ALANLARI
Prof.Dr.Pervin ARIKAN
Gazi Üniversitesi
Hızlandırıcı Çeşitleri
Hızlandırıcılar yörüngelerine göre sınıflandırılır.
-Dairesel Hızlandırıcılar
-Doğrusal(lineer) Hızlandırıcılar
Dairesel yörüngeli hızlandırıcılarda;parçacıklar
hızlandırıcı yapıyı periyodik olarak dolanır ve her
defasında enerji alarak kapalı yörüngeler izlerler.
(Siklotron,Sinkrotron,Betatron..)
Fermilab. Proton-antiproton hızlandırıcısı TEVATRON
CERN
Lineer hızlandırıcılarda ise parçacıklar hızlandırıcı yapıyı
bir kez geçerler.(SLAC-LINAC elektron - 50 GeV)
Brookhaven national laboratory – proton
(200 MeV)
DAİRESEL HIZLANDIRICILAR
SİKLOTRON
Siklotron, proton,döteron veya helyum çekirdeği gibi
yüklü tanecikleri aşırı büyük gerilimler gerekmeden
sinüsel RF gerilimi sayesinde yarı-dairesel magnetler (Di)
içinde spiral çizerek yüksek hızlara çıkarmakta kullanılan
magnetik rezonanslı hızlandırıcı cihazdır.
Hızlandırma kaviteleri temel olarak iki adet D şeklinde
magnetten oluşur. Hızlandırma alanı bu magnetler arasında
üretilir. Bu yarım D şekilli kavitelere şekillerinden dolayı
`Dee` denir.
SİNKROTRON
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 magnetin merkezine ihtiyaç kalmamıştır ve
parçacık yörüngesi boyunca küçük magnetler
kullanılabilmektedir.
•
Eğici (bending) magnet alanları, parçacıklar enerji
kazanırken onları sabit yörüngede tutmak için artırılmalıdır.
•
Parçacıkların uygun magnetlerle sabit R yarıçapında
tutulduğu ve RF kaviteleri ile hızlandırıldığı düzeneklere
“sinkrotron”denir.
•
HIZLANDIRICILARIN KULLANIM ALANLARI
Temel bilimler
Yüksek enerji fiziği
Sabit hedef deneyleri
Depolama halkalarında çarpışan demetler
Lineer çarpıştırıcılarda
Nükleer fizik
Elektron/proton hızlandırıcıları
İyon hızlandırıcıları/ çarpıştırıcılar
Sürekli demet yapıları
Sabit hedef deneyleri
Endüstri
X-ışınları ile radyografi
İzotop üretimi/ ayrışımı
Malzeme testleri
Gıda sterilizasyonu
X-ışınları litografisi (taşbasması)
Tıp
Sinkrotron ışınım kaynakları uygulama alanları















Fizik
Kimya
Biyoloji
Mühendislik
Jeoloji
Eczacılık
Malzeme bilimi
Tıp
Radyoloji
Arkeometri
Yüzey fiziği
Moleküler biyoloji
Endüstri
Astronomi
Çevre bilimleri









Proteinlerdeki atomlar nasıl düzenlenmişlerdir?
Metaller ve yarıletkenlerdeki safsızlıklar nasıl bağlanmışlardır?
Materyallerin yüzeylerindeki atomların düzenlenişi nasıldır?
Metalle yarıiletkenin ortak yüzünün doğası nedir?
İntegral devre üretiminde X-ışını litografisini etkin olarak nasıl
kullanırız?
Kalbin damar tıkanıklıklarının teşhislerinde kullanılır mı?
Kanser tedavisi?
Enzimlerin kimyası nedir?
AIDS ilaçları için bilgi?
Malzeme fiziği







Yarıiletkenler
Metallar
Süperiletkenler
Alaşımlar
Elektronik yapılanma
Faz dengeleri
Aktinitlerin kimyası
Photoelectron Spectroscopy
Extended X-ray Absorption Fine Structure (EXAFS)
Small angle scattering (SAXS)
Powder Diffraction
Yüzey Bilimi

Ultra ince filmler
Yüzeylerin dinamik ve kinetik özellikleri
İnce film büyütme teknikleri
Temiz yüzey yapıları
Kimyasal komplex yapıları
Arayüzey eklemleri

Ultraviolet Photoemission Spectroscopy





•Polimerler
Yapı ve yapılanma özellikleri
Small angle scattering



Atomik,Optik ,Moleküler fizik ve kimya
Temel araştırmalar
Kimyasal dinamikler
Vibration/rotation spectroscopy
Infrared microspectroscopy
Yer Bilimleri







Mineral arayüzeyleri
Yer kabuğunda Yüksek sıcaklıkta ve basınçta
minerallerin kimya koordinasyonlarının değişimleri
Mineral fazları
Faz geçişleri
EXAFS
XANES (X -ray absorption near edge structure)
IR Spectroscopy




Protein Kristalografi
SAXS / WAXS
XAFS /XRF
Powder Diffraction

Protein kristalografi
Kaynak : In-vacuum undulator
Enerji aralığı : 5-15 keV
Yapısal moleküler biyoloji ;
biyolojik sistemlerin nasıl
işlediğini, genetik yapılarını öğrenmek
protein,DNA ve RNA moleküllerinin 3
boyutlu incelemelerini kristalografik
olarak sağlayan SI ile mümkün.

SAXS / WAXS (Small Angle / Wide Angle Xray Scattering)
Kaynak : Undulator
Enerji aralığı : 10 keV
Malzeme bilimi ; kristal olmayan
ve yarı-kristal malzemelerin boyutları,
uzunluk dağılımları, düzensizlik
dağılımları elde edilir. In-situ ve
time-resolved deneyler
yapmak mümkün.

e
n
e
y
XAFS / XRF (X-Ray Absorption Fine Structure /
X-ray Fluorescence )
Kaynak : Wiggler
Enerji aralığı : 3-30 keV
Yapısasal moleküler biyoloji,
malzeme bilimi dallarında
özellikle amorf katılar, sıvılar ve
çözeltiler için kullanılır. Bölgesel
elektronik ve yapısal özellikler elde
edilir.
i
s
t
a
s
y
o
n

Powder Diffraction
Kaynak : Wiggler
Enerji aralığı : 3-25 keV
Malzeme bilimi ; Polikristal
malzemelerin yapısal
özelliklerini,oryantasyonlarını,
profil analizlerini ve gerilim
haritalarını elde etmek için
kullanılan başlıca tekniktir
4
13
X-ray photoelectron spectroscopy
26
Angle resolved photoemission spectroscopy
4
XRD- single
cr yst al
XRD- powder
XPS , ARPES
Extended X-ray Absorption Fine Structure spectroscopy
X-ray absorption 6near edge structure
Surface EXAFS
X-ray Fluorescence
9
EXAF, XAN ES,
SEXAFS
XRF
SAXS
Small Angle X-ray Scattering
24
10
4
Ref lect ivit y
Micr oscopy
Report of the 1st Workshop on Materials Science Research with Topogr aphy /
SESAME,2000
Tomogr aphy
BESSY (Berlin, Almanya)
Bu hızlandırıcı merkezinde ilk sinkrotron ışınımı kaynağı
olan Bessy I, VUV ve yumuşak X-ışını bölgesinde sinkrotron
ışığı üretmeye adanmış olan 0.8 GeV enerjili bir depolama
halkasını işletmekte idi. Bu ışınım kaynağının bugünlerde
SESAME adı verilen bir proje kapsamında Ortadoğu
bölgesine hizmet vermek üzere güncellemesi de yapılarak
Ürdün’e nakledilmesi planlanmıştır. Bessy I ’in yerini alan
Bessy II 1.7 GeV nominal demet enerjisiyle VUV/XUV
bölgede yüksek parlaklıklı bir ışınım kaynağı olarak
çalışmaktadır. l998 yılında çalışmaya başlamıştır. Bu
merkezde 150 kullanıcı grubunda yaklaşık 600 araştırmacı
çalışmaktadır .
4) Daresbury (Daresbury, İngiltere)
Daresbury Laboratuarındaki sinkrotron ışığı kaynağı SRS
İngiltere ve diğer ülkelerden üniversite ve şirket kaynaklı
500’ün üzerindeki kullanıcı grubundan 3000’nin üzerindeki
araştırmacıyı desteklemektedir.Sinkrotron kaynağının
elektromanyetik spektrumun Xışınından kızılötesine kadar olan
bölgesini kapsayacak şekilde ayarlanmış 40 deney istasyonu
vardır. Burada yapılan çalışmalar astronomi, biyoloji, kimya,
çevre, fizik ve çevre bilimlerini kapsamaktadır .
7)HASYLAB (DESY, Hamburg, Almanya)
DORIS III DESY bulunan ilk depolama halkası oldu. Bugün,
DORIS III sadece HASYLAB için Synchrotron radyasyon
kaynağı olarak çalışır. DESY’de yer alan DORIS ve PETRA
depolama halkalarındaki pozitronlardan yayımlanan sinkrotron
ışınımı 42 demet hattı ile 80 deney istasyonunda temel ve
uygulamalı araştırmanın çok değişik kısımlarına hizmet
vermektedir. Bu laboratuarda yapılan ve tamamlanan proje
sayısı yılda bin civarındadır. Merkezde üretilen elektromanyetik
ışınım spektrumunun görülebilir ışıktan sert X-ışınına kadar
karşılık gelen 1 eV ile 300 keV enerji bölgesini kapsamaktadır .
Lineer Hızlandırıcılar




-Elektrostatik Hızlandırıcılar
-Kafes Üreteçleri
-Van De Graff Hızlandırıcıları
-Lineer Hızlandırıcılar (WIDEROE,ALVAREZ)
RF ALANLA HIZLANDIRMA
Güçlü kaynakların varlığından
dolayı günümüzde en başarılı
parçacık hızlandırma işlemleri rf
alanlarla yapılmaktadır. Rf
rezonans boşlukları içinde, aynı
boyutlardaki elektrostatik
hızlandırıcılarla elde edilen
gerilimden oldukça yüksek
hızlandırma gerilimlerine
ulaşılabilmektedir.
Lineer hızlandırıcıların çalışma
prensibi, salınımlı alanlara ve
sürüklenme tüplerine dayanır.
Eşzamanlılık:
Verimli hızlandırma için parçacık hareketi hızlandırma
bölgeleri içinde rf alanla eşzamanlı olmalıdır. Sürüklenme
tüplerinin boyutları, parçacığı negatif yarı periot boyunca
alandan koruyacak, alanın pozitif maksimuma ulaşacağı
kesimde ise diğer sürüklenme tüpüne kadar rf alan ile
etkileşeceği bir boşluğa girmesini sağlayacak şekilde
olmalıdır.
WIDEROE
Şekilde de gösterildiği gibi lineer hızlandırıcı, demetin
hareket doğrultusu boyunca sıralanmış bir dizi sürüklenme
(drift) tüplerden meydana gelmektedir. Bu tüpler bir RF
(radyo frekans) kaynağına bağlıdır. RF kaynağı yüksek
frekansta alternatif voltaj sağlamaktadır.İlk yarım periyotta
birinci drift tüpe uygulanan voltaj “iyon kaynağını” terk
eden parçacığı hızlandırır. Drift tüpler, Faraday kafesi
gibidir ve parçacıkları dış alanlara karşı perdeler.
8-5) ALVAREZ
Yüksek frekanslarda Wideroe yapısının kapasitif doğası
elektromagnetik ışınımdan dolayı oldukça kayıplı
olmaktadır. Bunu ortadan kaldırmak için Alvarez tüpler
arasındaki boşlukları metal kavitelerle çevrelemeyi önerdi.
SERBEST ELEKTRON LASERİ
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.
Dünyadaki Bazı IR-SEL Laboratuarları














LURE CLIO (Orsay, France)
FELBE (Dresden, Germany)
iFEL (Osaka, Japan)
FOM FELIX (Holland)
Jefferson FEL (USA)
JAERI (Japan)
FEL-SUT (Tokyo, Japan)
LANL AFEL (Los Alamos, USA)
SDALINAC IR-FEL (Darmstadt)
SCA-FEL (Stanford, USA)
IHEP Beijing FEL (China)
ISIR FEL (Osaka, Japan)
Duke MK III (Duke, USA)
THM IR SEL
: 3-150 μm
: 3-150 μm
: 1-22 μm
: 5-250 μm
: 3.2 - 4.8 μm
: 17-30 μm
: 5 -16 μm
: 4-8 μm
: 6.6 - 7.8 μm
: 3-10 μm
: 5-25 μm
: 21-126 μm
: 1.7-9.1 μm
: 2-250 μm
FEL
Laboratuvarları
m
a
s
ı
,
a
t
m
a
u
z
u
n
l
u
ğ
u
n
u
n
v
e
b
a
n
d
g
Serbest Elektron Lazeri
Prensiplerine göre üç çeşit serbest elektron lazeri bulunmaktadır.

Yükselteç SEL

SASE SEL

Osilatör SEL
Serbest Elektron Lazeri

Osilatör SEL
Elektron hızlandırıcısından elde edilen rölativistik elektron demeti,
salındırıcı magnetten geçirildiğinde magnet ekseni boyunca ani
salındırıcı magnet ışıması yapar. Yayılan ışıma iki ayna arasında
tuzaklanarak salındırıcı magnete sonradan giren elektron paketçikleri
ile etkileşime girer. Elektron paketçikleri ile elektron manyetik alan
arasındaki etkileşme ışınımın dalgaboyunun koherent yapılanmasına
neden olur. Işınım alanı ile etkileşme sonucu oluşan bu koherent
yapılanma koherent ışımayı oluşturur.
Serbest Elektron Lazeri
Serbest Elektron Lazeri
Serbest Elektron Lazeri
 u salındırıcı magnet periyodu, K undulatörün kuvvet parametresi
 elektron demetinin Lorentz faktörü olmak üzere elde
ve
edilen serbest elektron lazerinin dalgaboyu;
u  K 2 

 r  2 1 
2 
2 

Burada salındırıcı magnet için kuvvet parametresi, Bo undulator
kutupları arasındaki magnetik alanın maksimum değeri olmak
üzere, pratik birimler cinsinden;
K  0.934B0 (T ) u (cm )
Elektromanyetik Spektrum ve Kızıl Ötesi Bölge
Elektromanyetik spektrum elektromanyetik ışımanın enerjisine veya
eşdeğer olarak frekansına veya dalga boyuna göre dağılımıdır.
Spektrumdaki ışınımların dalgaboyu (λ) ve enerjisi (E) şu şekilde ifade
edilmektedir:
E= h*c/ λ
h= 6,62618*10
c= 3*10 8 m/s
-34
J.s
Elektromanyetik Spektrum ve Kızıl Ötesi Bölge
1-1000 µm arası kızılötesi bölge olarak adlandırılır. Mutlak sıcaklığın (0 K)
üzerindeki bütün maddeler IR ışınımı salar.
Yakın IR bölgesi: 1- 2,5 μm. Titreşim üst ton ve kombinasyon bandlarının
bulunduğu bölgedir. Titreşimle ilgili çok fazla bilgi vermez, ancak reaksiyon
izlemede kullanılabilir.
Orta IR bölgesi: 2,5- 50 μm. Bu bölge titreşim spektroskopisinde en yoğun
kullanılan bölgedir. Parmak izi bölgesi olarak isimlendirilir.
Uzak IR bölgesi: 50-1000 μm. Metal-metal bağı gibi kuvvetli bandlar gözlenebilir.
Serbest Elektron Lazeri
TAC IR FEL
Serbest Elektron Lazerinin Avantajları

Ayarlanabilir dalgaboyu

Geniş dalgaboyu aralığı: hard X- ray bölgesine kadar

Tekrarlanabilir kısa atmalar: ps mertebesinde

Ortalama parlaklığı: 10 16

Yüksek pik gücü: GW mertebesinde

Ortalama güç: ~W
Kızılötesi Serbest Elektron Lazeri (IR-SEL)
Genel Kullanım Alanları
 Biyoteknoloji,
Medikal fizik,
Malzeme bilimi,
Atom ve molekül fiziği,
Nanoteknoloji,
Yarıiletkenler ve Kuantum Kuyuları ile
Foto-kimyasal süreçlerin incelenmesi alanlarında
kullanılmaktadır.
1 - Sum Frequency Generation (Toplam Frekans Jenerasyonu)
2 - Photon Echo Experiment (Foton Yansıma Deneyleri)
3 - Photoacustic Spectroscopy (Foto Akustik Spektroskopi-FEL-PAS)
4 - Pump-Probe Experiments (Pompa Sonda Deneyleri)
5 - IR-MALDI Tekniği
6 - IR-MAPLE Tekniği
7 - IR-REMPI Tekniği
8 - Near Field Microscopy (Yakın Alan Mikroskopisi)
9 - Multifoton Dağılımı / İon-Siklotron Rezonans (MPD-ICR)
10- Kütle Spektrometresi
(CLIO’ya
özel bir deney ve deney düzeneği yeterli miktarda bilgi
bulunabilirse üzerinde çalışılacak).
11- Vibrational Spectroscopy (Titreşim Spektroskopisi)
12- Gas-Phase IR Spektroskopisi
BİYOMEDİKAL ve BİYOTEKNOLOJİ
•Foto-termal etkilerle dokuların kesilmesi,
•Fotokimyasal etkilerle yüzey modifikasyonu,
•Sinir Cerrahi Araştırmaları (beyin tümörü, 6.45 µm),
•Göz Siniri Zarı tedavisi (6.45 µm),
•Yumuşak doku kesiklerinin çalışılması, kanserli dokuların
temizlenmesi (6.45 µm),
•Seçilen bölgeden kolesterolün temizlenmesi (5.75 µm),
•Moleküllerdeki titreşimsel enerji transferlerinin incelenmesi,

Sinir Cerrahi araştırmaları (6.45 µm)
Örneğin göz siniri zarı tedavisi
Beyin tümörü tedavisi (6.45 µm)
FEL ışınlaması öncesi
MRI görüntüsü
Işınlamanın bir hafta sonrası
MRI görüntüsü
IR-FEL’in Biyoteknoloji ve Biyomedikal
Uygulamalarına Bazı Örnekler:
Foto-termal etkilerle dokuların kesilmesi, foto-mekanik
etkilerle sert dokuların kaldırılması (6.45 µm),
FEL ışınlaması öncesi
Işınlama sonrası elde edilen tümör
BİYOMEDİKAL ve BİYOTEKNOLOJİ

Yüksek duyarlıklı örneklerde Foto Akustik Spektroskopi (PAS) (5-18 µm),

Diş minesinin sertliğini ve aside karşı dayanıklılığını arttırmak (10.6 µm),

İnsanın atheromatous plaklarındaki varlığı kesin olarak bilinen kolesterol esterler
5.75 µm dalga boyundaki FEL ile kaldırılabilmektedir,

FEL teknolojisinin kullanımıyla seçilen kolesterolün yakınındaki normal dokular
üzerinde meydana gelen ters etkilerin minimuma indirilmesi hedeflenmiştir,

“Matrix-Assisted Laser Desorption- İonization Mass Spectroscopy” (MALDI-MS)
tekniği ile büyük moleküllerin karakterizasyonu (protein molekülleri, 2.94 µm, IRMALDI).
Biyomedikal Uygulamalar
5.75 µm IR- SEL ile ışınlanmış
kolestrol ve albümin
görülmektedir. Kolestrol
esterlerinde ayrılma gözlenirken
albümin yapısında herhangi bir
değişiklik olmamıştır.
NANOTEKNOLOJİ VE MALZEME

Pump-probe tekniği ile dar gapli yarıiletkenler üzerindeki geçiş etkilerinin
artışının gözlenmesi (9.2 ve 12.5) µm,

Pump-probe tekniği ile elde edilen iki renkli SEL’in kuantum kuyularına optik
pompalanması ile yarıiletkenler üzerinde araştırmalar (3-90 mikrometre),

Si izotoplarının ayrılması (5-16 mikrometre),

Yarıiletken materyallerin ve cihazların çalışma prensiplerinin incelenmesi (522 mikrometre),

Yakın Alan Mikroskopisi yüzey veya ara yüzey incelemeleri (5-16
mikrometre),

GaAs alt tabakaları arasındaki girişim üzerinde çalışılarak kuantum
kuyularının hassas yapılarının ortaya çıkartılması (sumfrequency
generation (SFG) technique),

Yarıiletken hetero-eklemlerin bant süreksizlikleri .
Malzeme ve Yarıiletken
uygulamaları

İnce film üretimi
Özellikle optik , elektronik ve birçok diğer sanayi kolu
için farklı amaçlarla kullanılacak yüksek kaliteli ince
filmlerin üretimi gerçekleştirilebilir.
Ti:Sapphire lazeri ve SEL ile üretilen NiFe filmlerinin,
magnetinazyonları arasındaki fark
Malzeme ve Yarıiletken
uygulamaları

5-16 µm => Yakın Alan Mikroskopisi ile yüzey ve arayüzey
incelemeleri
Bir yüzey veya ara yüzey üzerinde kaybolan dalga
boyunun küçük bir optik fiber ile yakalanması ile yüksek
çözünürlüklü yüzey spektromikroskopisinin anlaşılması
mümkündür.
Kimyasal yapılar, malzemenin yapı analizi, yüzey
çalışmaları yapılabilmektedir..
FOTOKİMYA

“Sum Frequency Generation” (SFG)
tekniği ile yüzeyler üzerindeki
ışınımı soğuran türlerin spektroskopisinin incelenmesi
(5-µm dalgaboyu ile metanol içerisindeki platinin(Pt)
yüzey ölçümü),

Moleküllerdeki
titreşimsel
enerji
transferlerinin
incelenmesi çalışmaları (3-90 mikrometre),

“Selected Mode Chemistry” çalışmaları (Örneğin formik
asit ve nitromethane’ın izotop seçici multifoton
ayrışımının gözlemlenmesi, 3-90 mikrometre),
FOTOKİMYA

Protein dinamiklerinin araştırılması (miyoglobin içerisindeki
gerilmiş moddaki CO dinamiklerinin araştırılması, 5.14 µm),

Yoğunlaştırılmış Madde Çalışmaları ve Gaz Faz Spektroskopisi (3-5
µm üçüncü harmonikler üzerinde çalışılmasına izin vermektedir.),

“Matrix-Assisted
Laser
Desorptionİonization
Mass
Spectroscopy” (MALDI-MS) tekniği ile büyük moleküllerin
karakterizasyonu (protein molekülleri, 2.94 µm, IR-MALDI),

IR-MALDI tekniği ile kompleks çevresel materyallerin kütle
spektrometresinin ölçülmesi (7.1 µm),
IR- SEL’ in Uygulama Yöntemleri ToplamFrekans Jenerasyonu (SFG)
SFG
yüzeye
katkılanan
türlerin
spektroskopisini
inceleyen
bir
tekniktir. 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.
IR- SEL’ in Uygulama Yöntemleri Toplam-
Frekans Jenerasyonu (SFG)

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
IR- SEL’ in Uygulama Yöntemleri
Pompa Sonda Deneyleri (Pump- Probe)

Lazerlerin doku ve diğer materyallerle etkileşmesinin anlaşılması için
gereklidir. Michelson interferometresi kullanılarak demet iki atmaya
ayrılır. Pek çok deneyde iki atma da aynı lazerden elde edilir ve
yoğunlukları hariç eş karakteristiklere sahiptir.
IR- SEL’ in Uygulama Yöntemleri Pompa
Sonda Deneyleri (Pump- Probe)
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
IR- SEL’ in Uygulama Yöntemleri
Pompa Sonda Deneyleri (Pump- Probe)
Atmalar örneğe ayna sistemi ile
yönlendirilir.
Sonda
atması
kolayca hareket ettirilebilen bir
ayna
içerir.
Yörünge
uzunluğunun artırılması pompa
ve
sonda
göreli
Ultrahızlı
ölçülerek
olayları
gecikmeyi
zaman
optik
uzaklığın
değerlendirilir.
arasındaki
artırır.
gecikmesi
aparatlardaki
uygunluğu
SCIENTIFIC PROGRAM OF ELBE
ELBE laboratuarı (Dresden, Almanya)
http://www.fzd.de
113a/b:
Yarıiletken
spektroskopi
laboratuarı.
113c: fs yükseltici ve spektroskopi
laboratuarı. Lineer olmayan optik
deneyleri ve FEL ışınımının biyolojik
sistemler
üzerinde
etkisinde
rol
oynar.
113d: Teşhis ve yakın alan spektroskopi laboratuarı.
113e/f: Dış kullanıcı laboratuarları olarak kullanılır.
113g: Radyokimya laboratuarı. Belirli radyo çekirdeklerin araştırılmasında kontrol
bölgesi olarak kullanılır.
Jefferson laboratuarı (Amerika)
http://www.jlab.org/FEL/

Polimer yüzeylerinin incelenmesi,

Metal yüzeylerinin incelenmesi,

Elektronik malzemelerin araştırılması
Dalgaboyu aralığı (µm)
1.5 – 14
Paketçik atma uzunluğu (ps)
0.2 – 2
Max. ortalama püç (kW)
Tekrarlama hızı (MHz)
> 10
4.7 – 75
Jefferson laboratuarı (Amerika)
http://www.jlab.org/FEL/

Mikron mertebesinde küçük mekanik yapıların üç boyutlu olarak üretilmesinde
kullanılır. Bunun dışında elde edilen SEL ile dokuma, yumuşatma ve sıkılaştırma gibi
malzemeler üzerinde çalışmalar yapılabilmektedir.

Diğer bir çalışma alanı karbon nanotüplerin üretimidir. Yüksek kaliteli, karbon nano
tüpleri, hava boşluğu uygulamalarının testi için verimli bir şekilde üretilmektedir.

Materyallerin yapısı ve dinamiği, non-lineer süreçlerin incelenmesi mümkün
olmaktadır.
Süperiletkenlerin
ve
yarıiletkenlerin,
davranışları olarak araştırılabilmektedir.
kimyasal
dinamikleri
ve
CLIO laboratuarı (Orsay, Fransa)
http://clio.lcp.u-psud.fr/
1992’den beri CLIO’ da uygulanan projelerin dağılımı:
o
30 % yüzey çalışmaları,
o
22 % elektrokimya çalışmaları,
o
22 % matris formundaki moleküllerin araştırılması,
o
12 % yarıiletken ve kuantum yapıları,
o
7 % yakın alan IR mikroskopisi,
o
3,5 % yüzey fotoyayınımı,
o
3,5 % eczacılık çalışmaları
Dalgaboyu aralığı (µm)
3-150
Paketçik uzunluğu ps (ayarlanabilir)
0.5 – 6
Max. ortalama güç (W @16ns/ 25 Hz)
7 deney odası bulunmaktadır.
Max. pik gücü (MW 1 ps’ de)
1
100
CLIO laboratuarı (Orsay, Fransa)



http://clio.lcp.u-psud.fr
E7: Bir teşhis odasıdır ve bu oda genel amaçlı kullanılmaktadır..
E5&E0: Diyagnostik ve ışık çalışmalarından elde edilen ilginç sonuçların
araştırılmasında kullanılır.
E1: Yakın alan mikroskopi deneylerinin yapılır. AFM bulunur.

E4: Multifoton Dağılımı/ İon-Siklotron Rezonans Kütle Spektrometresi ile
biyolojik moleküllerin kütle spektroskopisinin araştırılmaktadır.

E2: Pump- probe ve foton yansıma deneyleri yapılır. Değişik moleküller
üzerinde çalışılmakta ve biyolojik moleküller üzerine çalışmalar da
planlanmaktadır.

E3: SFG deneyleri ile yüzey fiziği çalışılır. Bu deney ile bir çözücü içerisindeki
elektrodun yüzeyinde meydana gelen olaylar tanımlanmaktadır. Çalışmalarda
yüzeyin kirlenmesini engellemek için çok yüksek vakum kullanılır.

E6: Pompa- sonda deneyleri ile kuantum kuyularında ve yarıiletkenlerde
lineer olmayan çalışmalarda kullanılmaktadır.
Dünyadaki IR SEL Laboratuarları
iFEL laboratuarı (Osaka, Japonya)
http://www.fel.eng.osaka-u.ac.jp
Dalgaboyu aralığı (µm)
5- 22
Paketçik atma uzunluğu (ps )
10
Max. ortalama güç (W)
1
Max. pik gücü (MW)
5
•Biyomedikal uygulamalar
60%
•Yarıiletken araştırmaları
24%
•Fotokimya
8%
iFEL laboratuarı (Osaka, Japonya)
http://www.fel.eng.osaka-u.ac.jp
Biyomedikal
çalışmalar:
Damar
tıkanıklığı tedavisi, damarlarda bulunan
kolestrol
esterlerinin
dokudan
seçilen
ayrılması
bölgenin
ve
kesilip
çıkarılması yapılır.
Yarıiletken
çalışmaları:
Yarıiletken
karakterizasyonu ve analizi yapılır.
SEL Fiziği: Demet çalışmaları dışında kullanıcılarına yaklaşık 5000 saat süreli lazer
demeti sağlanmaktadır.
FELIX laboratuarı (Hollanda)
http://www.rijnhuizen.nl/
Dalgaboyu aralığı (µm)
4.5- 250
Paketçik uzunluğu (ps)
3
Max. ortalama güç (W)
0.5
Max. pik gücü (MW)
100
Tekrarlama hızı (kHz)
1
• Molekül fiziği
• kimya
• Katıhal ve yarıiletken fiziği,
• SEL ve lazer fiziği
FELIX laboratuarı (Hollanda)
http://www.rijnhuizen.nl/
Yarıiletkenlerde lineer olmayan uzak – kızılötesi
çalışmaları: Pompa- sonda deneyi ile düşük sıcaklıkta
yarıiletkenlerde geçiş dinamikleri çalışılır.
Fotokimya çalışmaları: Multifoton IR dağılım tekniği
kullanılarak kloroflourkarbon gazları olan CFC13 ve
CFC12’ lerden chlorin atomlarının alınması
yapılmaktadır. Rydberg atomlarının davranışlarının
incelenmesi 50 µm civarında çalışılır.
Biyomedikal çalışmalar: Kesikli doku çalışmaları
yapılır. Domuz korneası üzerinde doku kesisi
çalışmaları yapılmıştır. Daha sonra bu çalışmalar diş
minesinde 9.5 mikronda hidroksiapetit
üzerinde başarılı sonuçlar vermiştir.
kristali
Planning for exp. stations

Exp. Station No 1:
Research on Photon (FEL) Science

Exp. Station No 2:
General IR FEL Spectroscopy (vibrational and rotational IR
spectroscopy for solid, gases and liquid materials)
FTIR spectroscopy, Raman spectroscopy

Exp. Station No 3:
IR FEL Spectroscopy and microscopy for material science and
semiconductors
SFG & Pump probe techniques

Exp. Stations 4-8: These four stations will be planned to use existing FEL
after completion of two FEL lines to use in non-linear optics,
nanotechnology, photochemistry and biotechnological reserach
1- FEL Fiziği Laboratuvarı
Diagnostik odası yanında bu laboratuvarın oluşturulması ile
hızlandırıcıdan elde edilecek ışık demeti fiziğini araştırmak amacı ile
çalışmalar yapılacaktır.


Bulunacak cihazlar
Optik masa, aynalar, lensler, spektrometreler, dedektörler.
FEL demetlerinin yanında kıyaslama çalışmalar için Nd:YAG
lazerler bulunabilir.
Çalışma Grubu (Hedef Kitle) ve Amaç
Yüksek Lisans ve Doktora öğrencileri, özellikle optik
çalışmalarında uzmanlaşma.
fiziği
2- Genel spektroskopi laboratuvarı

Genel kullanıcı laboratuvarı olarak planlanmıştır, IR bölgede her türlü
spektroskopi deneyinin yapılabilmesi için gerekli donanım bulunacaktır.
Bulunacak cihazlar
Optik masa, aynalar, lensler, Spektrometre, FTIR spektrometresi,
Raman spektrometresi, dedektörler.

Çalışma Grubu (Hedef Kitle) ve Amaç
Ülkemizde çok sayıda bilim adamı bu konuda doktora ve sonrası
çalışmalar yapmaktadır. Bu bilim adamlarının Yüksek Lisans ve
Doktora öğrencilerinin çalışma yapması için de bu laboratuvar
kullanılabilir. Laboratuvarın amacı, klasik spektroskopi cihazları yanında
FEL ışık kaynağı kullanılarak da deney yapılabilmesini sağlamak, IR
spektroskopi ile çalışılan alanlarda uzmanlaşmaktır.
3- Malzeme ve Yarıiletken Spektroskopi
Laboratuvarı


Laboratuvarda FEL in yüksek pik gücü, kolay ayarlanabilirliği ve ps
zamanlı olma özellikleri kullanılarak özellikle yarıiletken ve malzeme
biliminde araştırmalar yapılacaktır.
Bulunacak cihazlar
Optik masa, aynalar, lensler, Mikroskop, FTIR spektrometresi,
dedektörler, 6 tesla dan büyük magneto-cryostate
(Lazerler) ayarlanabilir Ti: Sapphire lazer ps/fs modda çalıştırılabilen
düzeltici yükselteçler.
Kullanılabilecek teknikler
Pump- probe Technique
Sum- Frequency Generation Technique (SFG)
TÜRKİYE’DE ÜNİVERSİTE ve ARAŞTIRMA
KURUMLARI –TÜRKİYE PROFİLİ








Kocaeli Üniv.(LATARUM)
ODTÜ (MALZEME LAB.+OPTİK LAB.)
Ankara Üniv.(OPTİK LAB.)
Bilkent (İLERİ TEKNOLOJİ ARAŞTIRMA LAB. +UNAM)
Koç Üniv.(LASER LAB.)
Gazi Üniv. (STAR LAB.)
UME (METROLOJİ –OPTİK)
SABANCI Üniv.(OPTİK)
IR,FTIR VE RAMAN SPEKTROSKOPİSİ
Kullanıcılar, Araştırma ve Uygulama Alanları









Hacettepe Üniv.
Ahi Evran Üniv.
19 Mayıs Üniv.
Celal Bayar Üniv.
Dumlupınar Üniv.
İstanbul Yüksek Teknoloji Enstitüsü (İYTE)
Harran Üniv.
İTÜ
Muğla Üniv.







Balıkesir Üniv.
Dokuz Eylül Üniv.
Kültür Üniv.
İstanbul Üniv.
Sakarya Üniv.
Fatih Üniv.
TAEK-SANAEM
THM projesinde görevli iken , 30.11.2007 tarihinde
Isparta’daki uçak kazasında kaybettiğimiz
Bilim Şehitlerimizi
Saygıyla ve rahmetle anıyoruz…

Araştırma projesi ve Yüksek Lisans öğrencilerim olan
Ayşegül Uşun’a ve Elif Tatoğlu’na katkılarından ve
özverili çalışmalarından dolayı TEŞEKKÜRLER….
Prof.Dr. Pervin ARIKAN
Çalışılan Teknik
Çalışılan Konu
Çalışan Kişi
Işınım Bölgesi
Pumb probe
a new infrared
free-electron-laser user facility(2006)
M. Helm and P. Michel(FELBE)
PLD(pulsed laser deposıtıon)
“Advanced Injector Design for FEL Directed
Energy
Applications”
*özellikle Malzeme uygulamaları, AR- GE,
pharmaceutical industry
JLAB, Alan Todd
IR-MALDI(ınfrared matrıx assısted laser
desorptıon ıonızatıon)
Biomedical Applications at the Vanderbilt FEL
Center(2003)
D.W. Piston
6.45 μ m (human surgery)
UV-FIR FEL facilities and application research at
the FELI
*biyomedikal,izotop ayrımı,yarıiletken uygulamarı
Tomimasu, T.; Takii, T.; Nishihara, S.;
Nishimura, E.; Awazu, K.
0.3-40 μ m
20-80 μm
Direk lazerle
Far-infrared free-electron laser facility at the
University of California/Santa Barbara(2005)
*biyoloji,ilaç ve
malzeme fiziği
X-Band Microwave Undulators for Short
Wavelength Free-Electron Lasers(2006)
Jann P. Kaminski
C. Pellegrini
30-60 micrometers
few nanometers to the Ångstrom
Foton eko
Applications of free-electron lasers to the biological
and physical sciences(2005)
*sıvı titreşim dinamiği, human laser
neurosurgery and ophthalmic laser surgery
Glenn S. Edwards(DUKE unı.)
-Terahertz
-20.1 µm
Tıtresım spektroskopısı
Gaz Faz Spektroskopısı
IR-MALDI
Applications of Free-Electron Lasers in the
Biological and
Material Sciences
* Terahertz electro-optics, Coherent quantum
control, Photochemistry and Photobiology, photonassisted transport, material
physics, device physics and nonequilibrium
dynamics.(materıal scıence)
*bıologıcal scıence:
Human surgery, Metal carbonyl solutes in glassy
and liquid solvents, Native and mutant myoglobins
*malzeme fızıgı: Vibrational relaxation phenomena
in condensed matter
G. S. Edwards, S. J. Allen, R. F. Haglund,
R. J. Nemanich, B. Redlich,
J. D. Simon and W.-C. Yang
-0.14 to 4.8 THz
-MIR
15-150 μ m
4-22 μ m
FIR
Experimental Study of FEL Irradiation onto
Human Enamel and Dentin(2005)
Sakae T. Sato Y. Tanimoto Y. Ookubo
A. Okada H. Kuwada T. Hayakawa Y.
Tanaka T. Hayakawa K. Sato I.
LeGeros R.Z.
10 µm
Dırek lazerle
Eye surgery application demonstrated with
FEL(Vanderbılt)
G. S. Edwards, J. H. Shen, J. A.
Harrington,
6.45 µm
Pumb probe
Time resolved measurement of intersubband
lifetime in GaAs quantum wells using a
twocolour
free electron laser
A High-Average-Power FEL for Industrial
Applications†
*Polymer Surface
Processing:
Surface texturing
Surface amorphization
*Electronic Materials
Processing:
Flat-panel displays
Large-area
Photovoltaics
*Metal Surface
Processing:
Laser glazing and
annealing
Metglass coatings
P. Boucaud, F.H. Julien, R. Prazeres, J.M. Ortega,
V. Berger, J. Nagle and J.P. Leburton
Benson, J. Bisognano, C. L. Bohn, L.
Cardman, D. Engwall,
Foton eko
Picosecond photon echo experiments using a
superconducting accelerator-pumped freeelectron laser
Y. S. Bai* S. R. Greenfield, and M. D.
Fayer
T. I. Smith, J. C. Frisch, t R. L. Swent,
and H. A. Schwettman
OSS(optıcal semıconductor swıtchıng)
An Investigation of Ultrafast Plasma Dynamics
in a GaAs Infrared Reflection Switch
Jochen Meyer, , Abdulhakem Y.
Elezzabi, and Michael K. Y. Hughes
10.6 µm
OCT
Application ofa wide-band compact FEL on
THz imaging
*bıomedıcal researches,2D scannıng,3D
hologrophy,tomography
Young Uk Jeonga,_, Grigori M.
Kazakevitchb, Hyuk Jin Chaa,
Seong Hee Parka, Byung Cheol Lee
100-1200 µm
10-14.5 µm
2-25 µm
NIR
ÇALIŞILAN KONU
ÇALIŞAN GRUP
ÇALIŞILAN YÖNTEM
DALGABOYU ARALIĞI
Picosecond photon echo experiments
using a
superconducting accelerator-pumped
free-electron laser
nonlinear material
(LiNbO3 , KTP and AgGaS2)
Y. S. Bai S. R. Greenfield,
T. I. Smith, J. C. Frisch, R.
L. Swent, H. A. Schwettman
Hanson
Received June 5, 1990;
revised manuscript received
April 2, 1991
Absorption technique,
Simple third
harmonic generation
0.5 to 4.2 μm
THOMAS JEFFERSON NATIONAL
ACCELERATOR FACILITY
FEL INDUSTRIAL APPLICATIONS
polymer surface
George R. Neil, Thomas
Jefferson National
Accelerator Facility,
Newport News VA 23606
USA
SFG
3.0–6.6 μm
Novel process ofisotope separation
ofsilicon by use of IR FEL
Keiji Nomaru, Andrei V.
Chernyshev, Alexander K.
Petrov, Haruo Kuroda
FTIR
MIR FEL
4–16 μm
9–11 μm
Material applications of the farinfrared free-electron laser
nonlinear-optical crystals
John D. Simon, John E.
Crowell, and John H. Weare
David R. Miller
Received November 3,
1988; accepted February
14, 1989
Nd+3:YAG laser
near IR 0.8-2.5 μm
mid IR 2.5 to 20 μm
far IR 20 to 1000 μm.
Infrared FEL photochemistry:
Multiple-photondissociation
of Freongas
used in refrigeration systems
Brian E. Newnam,JamesW.
Early,andJohn L. Lyman
Los Alamos National
Laboratory
FTIR
8 to 12 μm
Resonant infrared pulsedlaser deposition of
polymer films
using a free-electron laser
thin polyethylene glycol
(PEG) films
Daniel M. Bubb,a) J. S.
Horwitz, J. H. Callahan, R.
A. McGill, E. J. Houser,
and D. B. Chrisey
Naval Research
Laboratory, Washington,
DC 20375
M. R. Papantonakis and R.
F. Haglund, Jr.
Department of Physics and
Astronomy and W. M.
Keck Foundation FreeElectron Laser Center,
Vanderbilt University,
Nashville, Tennessee
37235
M. C. Galicia and A. Vertes
Department of Chemistry,
George Washington
University, Washington,
DC 20001
(Received 12 March 2001;
accepted 29 May 2001)
FTIR)
(ESI) (MALDI)
with the O–H (2.9 μm)
or C–H (3.4 μm)
THz near-field imaging of
biological tissues
employing
synchrotron radiation
imaging biological
samples
(Human teeth samples of
various thicknesses have
been imaged between 2
and 20 wavenumbers
(between 0.06 and 0.6
THz).)
Ulrich Schadea, Karsten
Holldacka, Michael C.
Martinb, and Daniel Friedc
aBerliner
ElektronenspeicherringGesellschaft f ur
Synchrotronstrahlung
mbH (BESSY),
Albert-Einstein-Straße 15,
12489 Berlin, Germany;
bAdvanced Light Source
Division, Lawrence
Berkeley National
Laboratory, 1 Cyclotron
Road,
Berkeley, California
94720, USA;
cDivision Biomaterials and
Bioengineering,
Department of Preventive
and Restorative Dental
Sciences, University of
California, San Francisco,
707 Parnassus Ave., San
Francisco,
California 94143-0758,
USA
coherent
synchrotron
radiation (CSR)
130 μm
*******************
TEŞEKKÜRLER
********************