HIZLANDIRICILARIN KULLANIM ALANLARI

Prof.Dr.Pervin ARIKAN

Gazi Üniversitesi

V. Ulusal Parçacık Hızlandırıcıları ve Dedektörleri Yaz Okulu

29 Ağustos-3 Eylül 2009 Bodrum

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 X-ray 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.

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.

eney

istasyonl

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

26

24

4

10

9

6

4

13

4XRD- single

crystal

XRD- powder

XPS ,ARPES

EXAF, XANES,

SEXAFS

XRF

SAXS

Ref lect ivity

Microscopy

Topography /

Tomography

Report of the 1st Workshop on Materials Science Research with SESAME,2000

X-ray photoelectron spectroscopy

Angle resolved photoemission spectroscopy

Extended X-ray Absorption Fine Structure spectroscopyX-ray absorption near edge structureSurface EXAFS

X-ray Fluorescence

Small Angle X-ray Scattering

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 HIZLANDIRMAGüçlü 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) : 3-150 μm

FELBE (Dresden, Germany) : 3-150 μm

iFEL (Osaka, Japan) : 1-22 μm

FOM FELIX (Holland) : 5-250 μm

Jefferson FEL (USA) : 3.2 - 4.8 μm

JAERI (Japan) : 17-30 μm

FEL-SUT (Tokyo, Japan) : 5 -16 μm

LANL AFEL (Los Alamos, USA) : 4-8 μm

SDALINAC IR-FEL (Darmstadt) : 6.6 - 7.8 μm

SCA-FEL (Stanford, USA) : 3-10 μm

IHEP Beijing FEL (China) : 5-25 μm

ISIR FEL (Osaka, Japan) : 21-126 μm

Duke MK III (Duke, USA) : 1.7-9.1 μm

THM IR SEL : 2-250 μm

FEL Laboratuvarları

ması,

atma

uzunluğunun

ve

band

ge

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

Burada salındırıcı magnet için kuvvet parametresi, Bo undulatorkutupları arasındaki magnetik alanın maksimum değeri olmaküzere, pratik birimler cinsinden;

salındırıcı magnet periyodu, K undulatörün kuvvet parametresive elektron demetinin Lorentz faktörü olmak üzere eldeedilen serbest elektron lazerinin dalgaboyu;

u

21

2

2

2

Kur

)()(934.0 0 cmTBK u

Serbest Elektron Lazeri

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 -34 J.s

c= 3*10 8 m/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

•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,

BİYOMEDİKAL ve BİYOTEKNOLOJİ

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 öncesiIşınlama sonrası elde edilen tümör

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 esterler5.75 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, IR-MALDI).

BİYOMEDİKAL ve BİYOTEKNOLOJİ

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 optikpompalanması ile yarıiletkenler üzerinde araştırmalar (3-90 mikrometre),

Si izotoplarının ayrılması (5-16 mikrometre),

Yarıiletken materyallerin ve cihazların çalışma prensiplerinin incelenmesi (5-22 mikrometre),

Yakın Alan Mikroskopisi yüzey veya ara yüzey incelemeleri (5-16mikrometre),

GaAs alt tabakaları arasındaki girişim üzerinde çalışılarak kuantumkuyularının hassas yapılarının ortaya çıkartılması (sumfrequencygeneration (SFG) technique),

Yarıiletken hetero-eklemlerin bant süreksizlikleri .

Malzeme ve Yarıiletken

uygulamaları

İnce film üretimi

Özellikle optik , elektronik ve birçok diğer sanayi koluiçin farklı amaçlarla kullanılacak yüksek kaliteli incefilmlerin 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 arayüzeyincelemeleri

Bir yüzey veya ara yüzey üzerinde kaybolan dalgaboyunun küçük bir optik fiber ile yakalanması ile yüksekçözünürlüklü yüzey spektromikroskopisinin anlaşılmasımümkündür.

Kimyasal yapılar, malzemenin yapı analizi, yüzeyçalışmaları 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 transferlerininincelenmesi çalışmaları (3-90 mikrometre),

“Selected Mode Chemistry” çalışmaları (Örneğin formikasit ve nitromethane’ın izotop seçici multifotonayrışımının 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 Desorption- İonization 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 Toplam-

Frekans 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.

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 Toplam-

Frekans Jenerasyonu (SFG)

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 olayları arasındaki

göreli gecikmeyi artırır.

Ultrahızlı zaman gecikmesi

ölçülerek optik aparatlardaki

uzaklığın uygunluğu

değerlendirilir.

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) > 10

Tekrarlama hızı (MHz) 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, kimyasal dinamikleri ve

davranışları olarak araştırılabilmektedir.

CLIO laboratuarı (Orsay, Fransa)http://clio.lcp.u-psud.fr/

Dalgaboyu aralığı (µm) 3-150

Paketçik uzunluğu ps (ayarlanabilir) 0.5 – 6

Max. ortalama güç (W @16ns/ 25 Hz) 1

Max. pik gücü (MW 1 ps’ de) 100

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

7 deney odası bulunmaktadır.

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 ayrılması ve

dokudan seçilen bölgenin 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 kristali

üzerinde başarılı sonuçlar vermiştir.

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 FELafter 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 fiziği

çalışmalarında uzmanlaşma.

2- Genel spektroskopi laboratuvarı

Genel kullanıcı laboratuvarı olarak planlanmıştır, IR bölgede her türlüspektroskopi 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 sonrasıçalışmalar yapmaktadır. Bu bilim adamlarının Yüksek Lisans veDoktora öğrencilerinin çalışma yapması için de bu laboratuvarkullanılabilir. Laboratuvarın amacı, klasik spektroskopi cihazları yanındaFEL ışık kaynağı kullanılarak da deney yapılabilmesini sağlamak, IRspektroskopi ile çalışılan alanlarda uzmanlaşmaktır.

3- Malzeme ve Yarıiletken Spektroskopi

Laboratuvarı

Laboratuvarda FEL in yüksek pik gücü, kolay ayarlanabilirliği ve pszamanlı olma özellikleri kullanılarak özellikle yarıiletken ve malzemebiliminde 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 çalıştırılabilendüzeltici 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) 15-150 μ m

4-22 μ m

PLD(pulsed laser deposıtıon) “Advanced Injector Design for FEL Directed

Energy

Applications”

*özellikle Malzeme uygulamaları, AR- GE,

pharmaceutical industry

JLAB, Alan Todd FIR

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, photon-

assisted 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

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,

10-14.5 µm

2-25 µm

Foton eko Picosecond photon echo experiments using a

superconducting accelerator-pumped free-

electron 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

NIR

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

ÇALIŞILAN KONU ÇALIŞAN GRUP ÇALIŞILAN YÖNTEM DALGABOYU ARALIĞI

Picosecond photon echo experiments using a

superconducting accelerator-pumped free-electron lasernonlinear material

(LiNbO3 , KTP and AgGaS2)

Y. S. Bai S. R. Greenfield,

T. I. Smith, J. C. Frisch, R. L. Swent, H. A. SchwettmanHanson

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 FACILITYFEL 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 FEL4–16 μm

9–11 μm

Material applications of the far-infrared free-electron laser

nonlinear-optical crystals

John D. Simon, John E. Crowell, and John H. WeareDavid R. Miller

Received November 3, 1988; accepted February 14, 1989

Nd+3:YAG laser near IR 0.8-2.5 μmmid IR 2.5 to 20 μmfar IR 20 to 1000 μm.

Infrared FEL photochemistry: Multiple-photondissociationof Freongas

used in refrigeration systems

Brian E. Newnam,JamesW. Early,andJohn L. Lyman

Los Alamos National

Laboratory

FTIR 8 to 12 μm

Resonant infrared pulsed-laser deposition of polymer filmsusing 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 Free-Electron Laser Center,

Vanderbilt University, Nashville, Tennessee 37235M. 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 employingsynchrotron 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 Elektronenspeicherring-Gesellschaft 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

********************