Transcript Latife Şahin YALÇIN - Parçacık Kaynakları

HIZLANDIRICILARDA PARÇACIK KAYNAKLARI
İstanbul Üniversitesi
Latife Şahin Yalçın
IX. Uluslararası Katılımlı Parçacık Hızlandırıcıları ve Detektörleri Yaz Okulu
10 - 15 Eylül 2013, BODRUM/TÜRKİYE
İçerik
•
•
•
•
•
Parçacık kaynağı nedir?
Parçacık kaynak çeşitleri nelerdir?
Çalışması için nelere ihtiyaç vardır?
Parametreleri nelerdir?
İyon kaynağını anlamak için plazma hakkında bazı temel
bilgiler
Parçacık Kaynağı
• Parçacık hızlandırıcıları veya başka uygulamalar için iyon veya
elektron demeti üreten cihazlara parçacık kaynakları denir.
Parçacık kaynakları
• Her hızlandırıcı bir parçacık kaynağına ihtiyaç duyar.
• Parçacık kaynakları sadece hızlandırıcılar tarafından
kullanılmazlar.
• İyon implantasyonu, füzyon uygulamaları, tıp, gıda ışınlanması
gibi birçok alanda uygulaması bulunmaktadır.
• İstediğimiz amaca ve akıma yönelik parçacığı elde etmek için
uygun parçacık kaynaklarını kullanmak gereklidir.
Genel bir hızlandırıcı
kompleksi
Parçacık Kaynağı
Dairesel Hızlandırıcı
Lineer Hızlandırıcı
Parçacık kaynağı hızlandırıcı zincirinin ayrılmaz bir parçasıdır.
Parçacık kaynakları
Çok küçük ve basit!!
Çok büyük ve karmaşık !!
Bir parçacık kaynağı hangi bileşenlerden
oluşur?
Plazma odacığı
Ekstraktör sistemi
İyon çıkış deliği
Aynı zamanda;
I.Onları besleyecek güç kaynakları
II. Soğutma Sistemleri
III. Plazma ve demet diyagnostiği
IV.Vakum sistemi
V. Güvenlik sistemi
Malzeme girişi
Plazma üretmek için voltaj
Parçacık kaynakları için basit tek bir çizim yoktur!!
Parçacık Demet Karakteristiği
• Plazma: demet akımı plazma yoğunluğuna, plazma elektron
sıcaklığına bağlıdır
• Ekstraktör ( parçacık çıkarıcı): Demet akımı, çıkarıcı voltajına ve
geometrisine bağlıdır
Maddenin Dört Hali
Plazma
Plazma
• O halde, İyonizasyon aslında plazma oluşum işlemidir
• Plazma; iyonize gaz: İyon, elektron ve nötr atom
karışımıdır
• Elektriksel olarak nötr; pozitif yüklerin sayısı negatif
yüklere eşittir
• Elektrik ve manyetik alanla etkileşir
• Basit bir parçacık kaynağı için plazmanın üretilmesi ve
parçacıkların plazmadan çekilerek hızlandırılması
gereklidir
• Plazma yoğunluğu ve plazma sıcaklığı en temel
parametrelerdir
Plazma Yoğunluğu
• Plazma elektron yoğunluğu ne ,plazma iyon yoğunluğu ni ve yüksüz
parçacık yoğunluğundan nn oluşur
• Eğer tekli iyonizasyon mevcut ise ne= ni dir. Çoklu yük iyonizasyonda
bu sayılar eşit olmaz fakat yük korunumu hala sağlanır, Q yük
durumunu ifade eder.
Q n
i
j
0
• Qi = +1 tekli iyonlaşma, Qi = +2, +3, .. Çoklu iyonlaşma,
Qi = - 1 negatif yüklenmiş iyonlar, Qe= -1 elektron yükü
• Plazma yoğunluğu ortalama iyon veya elektron yoğunluğu demek
anlamına gelir
İyon nedir?
• Elektrik yüklü atom ya da
atom grubudur
• Bir atom ya da atom grubu bir
veya daha fazla elektron
kaybeder veya kazanırsa
elektrik yükü kazanmış olur.
Helyum atomu
Elektron
• Yük?
• Qi= +1? ni,ne,nn=?
• Qi= +2? ni,ne,nn=?
Proton
Nötron
Parçacık sıcaklığı
• Plazma parçacıklarının enerjisi bir sıcaklıkla tanımlanır( kT, k=
1.6 x 10-19 J eV-1, 1eV = 11600 K)
Birçok lab.
plazması
Parçacık Kaynakları
• Elektron Kaynakları(TARLA)
• İyon Kaynakları
• Pozitif iyon kaynakları
• Negatif iyon kaynakları
• Anti-parçacık kaynakları
• Nötron kaynakları
Proton
kaynağı
Elektron kaynağı
Elektron kaynakları
• Elektron kaynakları da parçacık hızlandırıcıları için elektron
demeti üreten kaynaklardan biridir.
• Elektron demetinin kaynağı katottur(flament).
• Elektron demetleri üretim mekanizmasına göre
sınıflandırılabilirler
Elektron kaynakları
Elektron kaynak çeşitleri:
• Termiyonik emisyon(yayılım)
• Yüksek alan emisyonu
• Fotoelektrik emisyonu
Bu kaynaklar nasıl çalışır?
Termiyonik emisyon
•
•
•
•
•
•
•
Flament yüksek erime noktası ve
düşük iş fonksiyonlu malzemeden
yapılır
Filament elektron akışı olana kadar
ısıtılır.
Negatif bir potansiyel(birkaç yüz
Volt) Wehnelt silindirine uygulanır.
Anota pozitif bir elektriksel
potansiyel uygulanır.
Elektronlar anota doğru hareket
ederken, katot tarafında, yayılan
elektronların bir kısmı Wehnelt
silindiri tarafından geri itilirler.
Elektronlar pozitif potansiyel ile
aşağı doğru hızlandırılırlar.
Anot üzerindeki delikten çıkarlar
http://www.matter.org.uk/tem/electron_gun/electron_gun_simulation.htm
Termiyonik emisyon
• Flament akımı, flament sıcaklığını ve dolayısıyla yayınlanan
elektronların sayısını kontrol eder
• Flamentin küçük bir bölgesinden elektronların yayınlanması
istenilir
• Flament akımı demet akımı artık yükselemeyeceyi noktaya
gelene kadar artırılır
• Bias potansiyeli flamentte elektronların yayınlanacağı bölgeyi
kontrol eder
Termiyonik emisyon
• Isıtılan yüzey bir katodu
meydana getiriyor ise verilen
sıcaklıkta yayınlanan
maksimum akım yoğunluğu
Richardson/Dushman
denklemi ile verilir.
J = A . T2 . e ( -11600 .  / T )
• Bu denklemde  eV cinsinden
iş fonksiyonudur. A ise 120
amper/cm2K2 değerinde teorik
bir değerdir. Yandaki tabloda
sıklıkla kullanılan termiyonik
katotların bazı temel
parametreleri yer almaktadır.
Metal
Akım(A)
İş
Fonksiyonu
(eV)
Sıcaklık (°
K)
Akım
yoğunluğu
(A/cm2)
Tungsten
60
4.54
2500
0.3
Toryum
katkılı
tungsten
3
2.63
1900
1.16
Karışmış
oksitler
0.01
1.
1200
1.
Sezyum
162
1.81
Tantal
60
3.38
2500
2.38
Sezyum/O
ksijen/Tun
gsten
0.003
0.72
1000
0.35
Termiyonik katot malzeme
• İki parametre önemlidir
W=İş fonksiyonu (mümkün olduğu kadar düşük)
T=Çalışma sıcaklığı(yüksek tercih edilir)
• Sezyum(Cs) düşük iş fonksiyonu sahip fakat çalışma
sıcaklığıda düşük (T=320K)
=> Yüksek akım için iyi değil
• Metaller: Ta (4.1eV, 2680K), W (4.5eV, 2860K)
• BaO iyi özelliklere sahip (1eV; 1000K) fakat havada oksitleşir
Soru
• Aşağıdaki metaryellerden hangisi aynı sıcaklıkta en yüksek
termiyonik akımı verir?
• (a) Demir (Fe); W=4.7 eV
• (b) Gadolinyum (Gd); W=2.90 eV
• (c) Kobalt (Co); W=5 eV
Yüksek alan emisyonu
• Alan emisyonlu
tabancalarda, metal
flamentten elektronları çekip
çıkarmak için çok güçlü
elektrik alan (109Vm-1)
kullanılır
• Sıcaklık termiyonik
emisyonlu kaynaklardan
daha düşüktür
• Fakat kaynak parlaklığı (katı
açı başına akım yoğunluğu)
termiyonik emisyondan
daha yüksek olup yüksek
vakum gerektir
Fotoelektrik emisyon
• Bir malzemenin iş fonksiyonundan daha yüksek enerjili bir
foton malzeme yüzeyine çarptığı zaman bir elektronun
yayınlanmasına sebep olur.
• Emisyona sebep olacak maksimum foton dalga boyu 
=1240/ burada  iş fonksiyonu olup  nanometre
birimindedir.
• Fotondan gelen fazla enerji elektrona kinetik enerji olarak
aktarılır.
• Gelen foton başına yayınlanan elektronların oranı kuantum
verimliliği olarak adlandırılır.
• Kuantum verimliliği katodun ömrü boyunca azalacaktır:
Kontamine olabilir veya hasarlanabilir
• Metaller için minimum foton enerjisi morötesi enerji
aralığındadır(200nm buda 6 eV karşılık gelir, çoğu metallerde
elektron koparmak için yeterlidir)
İyon kaynakları-İyon nedir?
• Elektrik yüklü atom ya da
atom grubudur
• Bir atom ya da atom grubu bir
veya daha fazla elektron
kaybeder veya kazanırsa
elektrik yükü kazanmış olur.
İyon kaynakları
• Basit bir iyon kaynağı için iyonize gaz olan plazmanın
üretilmesi ve iyonların plazmadan çekilerek istenilen enerjiye
hızlandırılması gereklidir
• Plazma iyon, elektron ve nötr atomun karışımından oluşur
İyon kaynakları
• Ortamdaki gaz atom yada moleküllerin elektronlar ile
bombardıman edilmesi sonucu plazma meydana gelir.
• Ekstraktördeki elektrotlara uygulanan voltaj ile iyonlar
hızlandırılarak, enerji kazandırılır ( Etoplam= qeV)
• Ekstraktörden ayrılan iyon demeti uygulamaların yapılacağı
bölgeye gönderilir (Ekstraktör voltajı, E ekstraktör=V)
20Ne5+
•
•
•
•
•
•
ve 100 kV voltaj?
Toplam çıkış enerjisi?
Etoplam= qeV=5e100 kV=500 keV
Nükleen başına enerji?
Etoplam/nükleon sayısı= 500 keV/20=25.01 keV
Ekstraktör voltaj?
Eekstraktör= 100 kV
İyon kaynakları
• Ekstraktör geometrisi, iyon demetinin şeklini ve boyutunu
belirlemekte önemlidir
• Küçük çaplı dairesel bir demet için, bir küçük delikli ekstraktör
kullanmak uygun olacaktır
• Geniş bir demet için, bir çok delik(slit) bulunan ekstraktör kullanılır
İyon kaynakları
Pozitif iyon kaynakları
• Yüksek akım iyon kaynaklar
• Çoklu-yüklenmiş iyon kaynaklar
• Çok-kutuplu sınırlanmış kaynaklar
• Oldukça yüklenmiş iyon kaynaklar
Negatif iyon kaynakları
• Hacim yöntemi
• Yüzey yöntemi
• Yük alışveriş yöntemi
Pozitif İyon Üretimi
• Bir atom veya molekülden
elektronun uzaklaştırılması
gerekir.
• Başarılı bir iyonizasyon için
atom veya moleküle minimum
enerji(eşik enerjisi) transferi
gereklidir.
• Birden fazla elektron, atom
veya molekülden sökülebilir
• Pozitif iyon üretimi iyonizasyon
enerjisini sağlayacak fotonlar
ve elektronlar tarafından
gerçekleştirilir

2

H e  H  H e

H  e  H  2e
Ai   e  A(i n)  (n  1)e
Ai   e  A(i 1)  2e
Flament İyon Kaynağı
• Plazmadaki nötr atom yada molekülleri iyonlaştırarak,
plazmanın yoğunluğunu artıran en iyi yöntem
• Elektron üretmek için çok sıcak bir telden(flament) termiyonik
yayılımı kullanılır
• Flamente -70 V uygulanması , iyonlaştırma için elektronun
yeterince enerji kazanmasına sebep olur
• Bu kaynak iyonlaşma oranı gaz yoğunluğu ile orantılı olması
istenilince tercih edilir
• Flamentin ömrü buharlaşma ve sputtering yüzünden sınırlıdır
• 1 mT basınçta, cm başına bir iyon üretmek için 300 elektron
gereklidir
• Yüksek şiddette iyon demeti üretmek için uygun değil!!!
Flament İyon Kaynağı
Yüklü Parçacıkların Hapsedilmesi
Pening İyon Kaynağı
• Plazma hapsetmesi için dipol alanın
bir uygulaması
• Anod eksenine paralel manyetik
alanda bir silindir anot ve iki katot
bloktan oluşur
• Katottan yayınlanan elektronlar Bçizgilerini takip ederek diğer katota
gider ve oradan yansıtılır
• Bu şekilde elektronlar iki katot
arasında titreşerek elektron akım
yoğunluğunu yükselterek yüksek
verimlilik sağlarlar.
• İyonların çıkışı eksen boyunca ya
katoda açılan bir delikten yada çap
boyunca anottaki bir kesikten
sağlanır.
• Katotların sputteringi yüzünden
ömrü sınırlı, özellikle yüksek yüklü
parçacıklar için
Multicusp İyon Kaynağı
• Füsyon için geliştirilmiştir
• Multicusp alanlar düzenli
magnetler tarafından üretilmiş
• Manyetil alan duvarlardan
uzaklaştıkça azalır, merkezde sıfır
• Duvarlardaki güçlü manyetik
alan iyonların tekrar merkeze
gönderilmesini sağlar
• Elektronlar, termiyonik yayılım
ile bir flament tarafından
sağlanır
• Odanın duvarları anot görevi
yapar
• Flamentin ömrü sputtering
yüzünden sınırlı!!!!!
Sputter(püskürme)- iyon kaynağı katili????
• Elekronların hızlanıp tekrar iyonlaşma meydana getirmesi için
elektrik alan gerekli
• Aynı elektrik alan iyonlarıda etkiler, bu sebeple iyonlar
hızlanarak elektrotlara çarpar ve eletrotlardan atomları
püskürtebilir(sputtering)
• Sputtering flamentlerin incelmesini , dolayısıyla kırılmasına
sebep olabilir
• Yani Sputtering malzemelerin ömrünü kısaltır
• Azatılması gerekir
Ne yapılabilir?
• Flament yerine anten dizayn edilir
• Antene RF kaynağı ile akım sağlanır
• Bu akım aynı zamanda dairesel E alan üretir
• Bükülen E alan antenin ortasında yoğunlaşır
• Bu alan sayesinde iyonlar açısal yönde hızlanır
RF ile beslenen multicusp iyon kaynakları
• Alternatif akım ile dairesel
E alan üretilir
• İyon kaynağının ömrü
uzatılır
• iyon yoğunluğunu
artırmak, elektrik alanı
artırmaya, elektrik alanı
artırmakta anten akımı
artırmaya bağlı
Negatif İyon üretimi
• Tabakalarında elektron boşluğu bulunan bazı
atomlar extra bir elektronu çeker ve negatif net
yüklü kararlı izotop meydana getirir
• Kararlılık elektron bağlanma enerjisi veya
elektron yatkınlığı ile ifade edilebilir
• Elektron yatkınlığı, iyonizasyon enerjilerinden
daha küçüktür
Hacim yöntemi
• Elektron doğrudan atoma
bağlanır , enerji fazlalığı
gama ışını olarak
yayınlanır(Tesir kesiti
küçük!!!)
• Enerji fazlalığı üçüncü
parçacığa aktarılır
A  e  A  
M  e  A  B  e  A  B
• Sıcak elektronlar molekülleri
titreşimle uyarır
*

*
M

e

M

2
e

M e
• Uyarılmış molekül ve soğuk
elektronlar arasında
çözülmeli bağlanma olur
*
M  e*M   A  B 
Yüzey yöntemi
• Metaller zayıf bağlı iletim elektronlarına sahiptirler.
Ancak yüzeyden bir elektron koparabilmek için
yaklaşık 4,5 – 6 eV’luk enerji gerekir(iş
fonksiyonu).
• Oda sıcaklığında sıvı bir metal olan Cs’un iş
fonksiyonu ise yalnızca 2 eV kadardır.
• Bir metal yüzey üzerine yoğunlaştırıldığında, Cs,
yüzeyin iş fonksiyonunu 1,4 – 1,8 eV civarına
düşürür.
• Elektron yatkınlığı 2 eV’dan fazla olan atomlar
Cs’daki elektronu kolayca yakalayarak negatif iyon
meydana getirirler.
Yük alışverişi
• Pozitif iyon demetlerinin çift

 Nötrleş
X

Cs

X

Cs
yük değişimi, negatif iyon
me
üretiminden daha çok
tutulan bir yöntem
• Yüksek akım gerektiren
X  Cs  X   Cs  İyonlaşma
durumlarda kullanılmıyor
Magnetron İyon Kaynağı
• Plazmanın hapsedilmesi için
selonoid alanın en basit şekilde
uygulandığı kaynak
• 0.1 T büyüklüğünde bir alan iyon
kaynağınınm dışına yerleştirilen
solenoid ile sağlanır
• Katot bir termiyonik yayılım
sağlayan flament iken, anot
odacığın kendisidir
• Manyetik alana parelel
yerleştirilen flament
elektronların spiral yol
çizmelerine sebep olur
• Flamentin ömrü sınırlıdır:
Sputtering
• Yüksek manyetik alanada
plazmada titreşime sebep olur
H- Magnetron Iyon Kaynağı
J Alessi, BNL
e-
~1 mm
Mo
Cathode (-)
Cs
M Stockli,
R Welton, SNS
H
H+H2+
H-
eAnode (+)
e-
B
Multicusp Negatif İyon Kaynağı
• Pozitif iyon yüksek-akım
kaynağı gibi görünür fakat Holarak çalıştırıldığında su ile
soğutmalı mıknatıs filtresi
dahil edilir
• Bu filtre katottan çıkan ilk
elektronların çıkış bölgesine
girmesini önlemek için
yeterince kuvvetli dir
• Çok yavaş elektronlarla
birlikte pozitif ve negatif
iyonların herikisi filtreden
geçebilir
• Hacim prosesi ile yüksek
verimlikli H- lu soğuk plazma
oluşabilir.
Yüzey dönüştürme iyon kaynağı
• LBNL, tarafından geliştirilmiştir
• Cs un soğuk metal yüzeye
yoğunlaştırılması sonucu , H- iyonlar
oluşturulmuştur
• iyonlar negatif voltajda tutulan
sezyum(Cs) ile kaplanmış bir metal
yüzeyde oluşturulur.
• Flament plazma oluşturmak için
kullanılır
• Küresel yüzey su ile soğutulur
• Bu yüzeye voltaj uygulayarak negatif
iyonlar ortamdan çekilir
• Yüzey eletrotlarında Cs miktarı
korunmalı
• Ortamdaki elektronların iyon akımına
katkısını azatmak için dipol manyetik
alan kullanılır
DESY-HERA
JPARC
SNS/LBNL
ORNL-SNS
ECR H- İyon Kaynağı
ECR İyon Kaynağı
Kaynaklar
•
•
•
•
Ion sources, N. Angert, GSI, Darmstadt, Germany
Ion and Electron sources, C.E. Hill, CERN, Geneva,
Switzerland
Electron and Ion sources for particle accelerators, R.
Scrivens, CERN, Geneva, Switzerland
Moehs et all. , IEEETransactions on plasma science, Vol. 33,
No.6, 2005