Siklotronun tanimi



Yüklə 39,21 Kb.
tarix06.02.2018
ölçüsü39,21 Kb.

1. GİRİŞ
Parçacık Hızlandırıcıları 21. yüzyılın jenerik (diğer teknolojilerin üretilmesine kaynaklık eden) teknolojiler arasında yerini almış, yüksek teknolojiye dayalı donanımlardır. Atomaltı parçacıkları hızlandırıp sabit veya hareketli bir hedefle çarpıştırarak Parçacık Fiziği (Yüksek Enerji Fiziği) ve Nükleer Fiziğin henüz çözülememiş problemlerinin çözümü için deneylerin yapılmasını sağlayan, ikincil demetlerin elde edilmesini sağlayan, sinkrotron ışınımı ve serbest elektron lazerleri v.b. nin üretiminde kullanılan bu donanımların lineer (doğrusal) ve dairesel tipte çeşitleri ve tespit edilmiş yaklaşık 400 civarında somut uygulama alanları vardır.
Lineer Hızlandırıcılarda (Linak) hızlandırma düzeneği (genelde RF rezonans boşluğu) bir defa geçilir ve hızlandırma gradyeni ve uzunluğuna göre linaklarda özellikle hafif parçacıklar günümüzde bir kaç on GeV enerjilere ulaşmaktadırlar. 250 GeV lik elektron ve pozitron demetine sahip olacak olan ve 33 km uzunluğunda olacak olan TESLA hızlandırıcısı ise 2009’da çalışmaya başlayacaktır.
Dairesel hızlandırıcılar ise, genel olarak parçacık demetlerinin belirli bir hızlandırma düzeneğinden defalarca geçecek şekilde tasarlanırlar. En tipik olanı sinkrotronlardır. Bu güne kadar inşa edilmiş en büyük sinkrotron CERN’deki elektron-pozitron çarpıştırıcısı LEP (Large Electron Positron) olmuştur. Bu sinkrotronda çevre 27 km ve demet enerjileri demet başına 100 GeV mertebesine ulaşmıştır. Günümüzde TeV enerjili sinkrotronlar mevcuttur. (TEVATRON, HERA, LHC v.b.). Ayrıva Betatron ve Mikrotron’da dairesel hızlandırıcı tipleridir. Ancak, boyut olarak daha küçük ve fizik açısından ağır parçacıkların ve iyonların hızlandırılmasına daha uygun olan diğer bir dairesel hızlandırıcı tipi ise SİKLOTRON’lardır.
Bu çalışmada, siklotronların tanımı, çalışma prensipleri, kullanım alanları ve önemi geniş bir yelpazede incelenmiş, siklotronların çalışmalarıyla ilgili fiziksel ilkeler ele alınmıştır. Siklotronların 21. yüzyılın en önemli çalışmalarından olması nedeniyle siklotron gelişiminin teknolojik açıdan önemi vurgulanırken, siklotronların yakın tarihi hakkında da bilgi verilmiştir. Siklotronlarda odaklama ve yörüngelerin dengelenmesi, siklotronların bileşenleri ve altsistemleri çeşitli şekil ve örneklerle açıklanmış, ayrıca, tezin ilk kısmında siklotronların çeşitleri ve parametreleri de ayrı ayrı ele alınmıştır.

Tezin ikinci kısmında ise siklotronlar yardımıyla izotop üretimi ele alınmıştır. Çeşitli izotopların siklotronlarla üretilmesi ve üretilen bu izotopların fiziksel özelliklerinin karşılaştırılması detaylıca tartışılmıştır. Bu tür üretim işlemleri sırasında izlenen yollar, kullanılan araçlar ve parametreler üzerinde durulmuştur. Aktivite hesapları yapılmış, ana radyoizotoplar hakkında bilgi verilmiş ve bu izotoplar fiziksel açıdan birbirleriyle karşılaştırılmışlardır. Bütün bu işlemler kimyasal süreç ve kalite kontrol açısından incelenmiştir.



2. SİKLOTRONLAR
2.1. Giriş ve Siklotronun Basit Tanımı
Siklotron ilk olarak 1930`lu yıllarda Lawrence Berkeley Laboratuvarında kurulmuştur. Bu laboratuvarın broşürlerdeki bilgilere göre, siklotron basit olarak Şekil-1 de verilmiştir. Siklotronlar bir çeşit dairesel hızlandırıcılardır ve yüklü parçacıklar magnetik alan içerisinde büyüklüğü magnetik alan şiddetine bağlı olan dönme frekansıyla kapalı yörüngelerde hızlandırılırlar. Dönme frekansı alan şiddetinin yanısıra parçacığın cinsine bağlıdır ve rölativistik etkilerin ihmal edildiği bölgede momentuma bağlı değildir. Parçacığın dolanım frekansına karşı gelen frekansla salınan bir elektrik alanı magnet içerisinde hızlandırma aralığına (gap) uygulanır ve devirsel bir yolla ardışık hızlandırma için kullanılabilir. Isokron–siklotron durumunda, parçacık ve elektrik alan aynı frekansta kalır ve parçacıklar gap aralığını alanın pikine yakın bir zamanda geçerler. Bu süreçte elektrik alanın frekansı ile dolanım frekansı birbirlerine ayarlandığında, çoğu kez rezonans hızlandırma olarak bilinir. Tipik bir hızlandırıcı sisteminde protonlar için radyo frekansı kullanılır ve bu nedenle bu sistemlere RF sistemleri denir. Magnet içindeki hızlandırıcı elektrodlar genellikle yarım daire olan D şeklindedirler ve bu nedenle bunlara Dee adı verilir. Dairesel yörüngenin yarıçapı parçacıkların momentumuyla orantılıdır. Bu nedenle hızlandırıcıda parçacıklar spiral yörüngeler izlerler. Işının magnetik alandan çıktığı yerde enerji son değerine ulaşır. Bütün parçacıklar demeti oluştururlar ve elektrik alanın aynı periodu içinde hızlandırılan parçacıklar bir paketçiği (bunch) oluşturular.

Siklotronlar çeşitli alanlarda kullanılırlar. Bunlar şöyle sıralanabilir: siklotronlar, izotop üretimleri, çeşitli kanser terapileri, fiziğin çeşitli dallarında ve nükleer fizik alanında araştırma olanakları sunarlar. Örneğin, Şekil 2’ de Scanditronix tarafından üretilen MC16 siklotronu görünmektedir. Bu siklotron izotop üretmek için dizayn edilmiştir. Şekil 3 Ref. (1)’den elde edilmiştir. Bu şekil Fransa da, ağır iyonlarla çalışmalar yapılan bir siklotron olan GANIL laboratuvarındandır. Bütün siklotronlar genel özelliklere sahiptir. Fakat bazı tipik parçalar farklı dizayn edilirler. Şekil 4 ve şekil 5’de verilen örnekler tamamen farklı siklotronların planlarını göstermektedir. Dördüncü bölümde siklotron alt sistemleri anlatılmaktadır.


Siklotronlar hakkında detaylı bilgi elde etmek için 1959 yılından beri her 3 yılda bir yapılan uluslararası konferanslar hakkındaki kitap ve proceedinglere bakılabilir. Tezin sonunda bibliyografya liste halinde verilmiştir.

Şekil 1. 1930 lu yıllarda ilk olarak E.O.LAWRANCE tarafından inşa edilen ve Lawrence Berkeley laboratuvarında bulunan ilk siklotronun şematik gösterimi.



Şekil 2. İzotop üretimi için gaz hedefli ve ticari amaçlı kullanılan siklotron (MC16 Siklotron, 1984, Scanditronix’in izniyle).



Şekil 3. Ağır iyonların hızlandırılmasi için olanak sağlayan GANIL (Fransa) Laboratuvarının şematik gösterimi. Biki bağlaşımlı ayrılmış sektör siklotronları (SSC1 ve SSC1) 400(Z2/A) MeV’lik demetler üretirler. En yüksek enerjilere demet hattı üzerine yerleştirilen ve Z iyon yükü artışını sağlayan stripper’lar ile ulaşılır. Co1 ve Co2 bağımsız enjektör siklotronlarıdır.



Şekil 4. Philips tarafından İsviçre de inşaa edilen Paul Scherrer Enstitüsündeki enjektör 1’in şematik görünümü. Bu, 2,5 m. çaplı dairesel magnet kutbuna sahip, değişken enerjili bir siklotrondur. Bu siklotronda, demetin ererjisi, A kütle numarası ve Z atom numarası için protonlarda 72 MeV’e , iyonlarda 120 MeV (120 Z2 / A) MeV’e ulaşır.



Şekil 5. Paul Scherrer Enstitüsündeki (PSI) dairesel siklotronun şematik görünümü. Bu siklotron yüksek şiddetli proton demetini, yüksek akılı mezon ve değişik nötron üretmek için 590 MEV’lik enerjiye hızlandırır. 8 farklı magnet ve magnetler arasına yerleştirilen 4 büyük hızlandırıcı kaviteden oluşmuştur. Kaviteler yüksek enerjiyi muhafaza ederler. Kaybedilen enerji kaviteler yardımıyla yeniden kazanılır.


2.2. Basit Eşitlikler ve Bağıntılar
2.2.1. Siklotron Prensibi
Kütlesi m, yükü q olan bir parçacığın hızının bileşenleri ve magnetik alanının bileşenleri ile verilsin. Lorentz kuvveti ve Newton yasaları yazılırsa;



(a)
(b)
(c)
elde edilir. İşlemler silindirik koordinatlarda yapılırsa












(1)



=






(2)


Aynı işlemler, kuvvetin Fz bileşeni bulmak için yapılırsa;








(3)

Bulunan sonuçlar düzenlenirse,







Rölativistik olmayan parçalar için homojen ve eksenel bir alan içinde olduğu varsayılır.



alınırsa,

(a), (b), (c) denklemlerinden;



=


Silindirik koordinatlarda;



, (1), (2), (3) denklemlerinden;






Sonuç olarak; x-y düzlemindeki kapalı dairesel yörüngeler alan çizgilerine dik olarak oluşur. Yörünge yarıçapı ve açısal hız aşağıdaki şekilde tanımlanabilir.





olur ve,


,

v = sonuçları elde edilir.


ve değerleri sabit olduğu için 'nın sadece 'a bağlı olduğu görülür.

m, Kütle numarası ile, yük ise Z ile gösterilirse



q=Ze
e = elektronun yükü

Eamu = Atomik kütle birimi enerjisidir.

Atomik kütle birimi atomunun kütlesinin ' sidir [2]. = 931,494

Proton için = 1,007276 kütle birimidir. Frekans ise

C1





ile çarpıp bölünce;

Eamu



Proton için :

C1 = ve Eamu = 931,494 Mev

1 eV 1,6.10-19 joule ise

931,494.106 eV x

x= 1,6,10-19x931,494.106 =1490,39.10-13




Elektron için :
1 eV 1,6.10-19 joule ise

0,15.106 eV x

x= 1,6 . 10-19 x 0,51 . 106 = 0,816 . 10-13



= 27 GHz / T olur.

Parçacıkları tekrar hızlandırmak için rezonansın, yörünge frekansıyla, hızlandırıcı RF voltajı arasında olması gerekir. Rezonans koşulu ise RF sisteminin frekansı olan ‘nin parçacıkların yörünge frekansına eşit olmasıyla sağlanır.


ise olur.
Eğer bir siklotron, yüksek harmonik mod olan 1 ile çalıştırılırsa, orta bölgenin geometrisi ve hızlandırıcı yapı seçilen harmonik sayıya uymalıdır.
Parçacıklar sadece RF devri içinde hızlandıklarından siklotron demeti RF frekansıyla uyumlu paketçiklerden oluşur. Bu mikro yapı düzenlenerek siklotron demeti sürekli dalga demetine (CW) dönüştürülebilir. Demetin makro yapıda atmalı yapıya sahip olması ve bu makro yapının RF hızlandırıcı sistemden kaynaklanan mikro yapıya dayanması nedeniyle siklotrondaki demet yapı sinkrotronla zıtlık gösterir.
Rezonans olayı, hızlandırıcı boyunca bütün yarı çaplar üzerinde gerçekleşmelidir. Isokron – siklotronlarında, bütün yarı çaplar üzerindeki, bütün parçacıklar aynı dönme frekansına sahiptirler. Bu, isokron siklotronların faz odaklama özelliğine sahip olmadığı anlamına gelir. Magnetik alan ve RF frekans arasındaki iyi bir ayarlama bu bakımdan gereklidir. Genellikle düzeltme bobinleri, farklı yarı çaplardaki magnetik alanı düzeltmek için kullanılır. Oluşturulan alanın, oluşturulmasındaki doğruluk ’ ye ve harmonik sayı ’ye bağlıdır. Eğer alanı , isokron alanı ’dan saparsa;

 olur.
Parçacıklar eğer +90o ve –90o faz farkının arkasında, yavaşlatılırlar ve kaybedilirler. Rezonans eğrisine örnek Şekil 6’da verilmektedir. Rezonans genişliği dönme sayısı için bir ölçüdür. Dönme başına maksimum enerji kazancı saptanabilir. Paketçik demetinin faz genişliğinin ölçüsü, rezonans eğrisinin sınırıdır. Rezonans eğrisi tarafından içerilen bilgi, parçacıkların geçmişini belirlemede de kullanılabilir. Bu durumda, fazın yarıçapa bağlılığı biliniyor demektir.A.A. Garren ve L. Smith’in (3) çalışması referansta verilmiştir.

Şekil 6. PSI enjektörü 1’in rezonans eğrisi. B’nin fonksiyonu olarak ölçülen



demet akımı. Parçacıkların hızlandığı yerde magnetik alan aralığını göstermektedir.






Dostları ilə paylaş:


Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2019
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə